11月12日,在2015年第3届中国(武汉)锂电新能源产业国际高峰论坛(ABEC 2015,锂电“达沃斯”)上,北京大学教授、锂电“达沃斯”学术委员会主席其鲁教授发表了题为《5V级锂离子二次电池技术开发现状分析》的演讲报告,以下是演讲报告实录。

其鲁

北京大学教授、锂电“达沃斯”学术委员会主席其鲁教授

  中国电池杂志-中国电池11月12日讯(陈语 湖北武汉直播报道)11月12日,在2015年第3届中国(武汉)锂电新能源产业国际高峰论坛(ABEC 2015,锂电“达沃斯”)上,北京大学教授、锂电“达沃斯”学术委员会主席其鲁教授发表了题为《5V级锂离子二次电池技术开发现状分析》的演讲报告,以下是演讲报告实录:

  大家早上好!非常高兴又有次机会从学术技术方面跟大家共同探讨一下现在锂电池的问题,今天因为时间非常充足,想先说两句别的事,整整十天了,北京雾霾严重糟糕到了这样的状况,其实跟我们也是关系非常密切的,据说还要持续五天,五天之后中央气象台说,有一股寒流会从西伯利亚过来。我想大家都记得很清楚,几年前老说有沙尘暴,现在希望沙尘暴来,如果没有西伯利亚没有来的这股风,好像北京就脱不开雾霾似的,不仅北京,华北地区、中原地区,看看今天的武汉,我们国家就处在这样的状况之下。

  其实跟汽车的关系我觉得并不是关系太密切,全世界汽车比中国多的地方有的是,但是去那些地方,大家到日本、美国、欧洲看一看,有这样的情况吗?但是借着这么一个事情,我们的电动汽车要快速发展,我们的电池也能好好卖了,希望我们大家利用好这个机会。

  关于5V级锂离子二次电池,一直是大家非常期望的一件事情,因为昨天的报告当中大家也看到了,电池的门槛在提高,现在是在每公斤100瓦时左右,其实真正的单体电池来讲,我们能够实现这个的也不多。所以真正的要超过200或者300,应该指的是单体电池,因为每家的制冷技术,保温技术都不一样。所以做到电动汽车上之后呢,第一,价格绝对不会是像昨天人们讨论的每个瓦时一块钱,或者做到200瓦时每公斤。

  大家看一下这张图,纵坐标是电池的电压,横坐标是容量,从这张图上大家可以看得很清楚,我们现在的锂电池无论是小型的锂电池,还是电动汽车上用的动力电池,无论是钛酸锂电池,还是磷酸铁锂电池,大概情况这上面看得比较清楚。大家可以看到下一代的电池技术,跟钛酸锂电池相比,它的电压几乎高出一倍,它的能量密度大家可以期待。对于未来,比如说我们要做到每公斤200瓦时,300瓦时,紧紧依靠这样的材料还是不够的。大家看看红色的线,这也是一种特殊的,我们作为下一代电池材料推出的一个新材料,它的容量要远远超过今天的钴酸锂,或者三元材料。也是这样的以锰、钴、镍为基础的。当然这也不是完全能够全面提高电池能量密度这样的技术,这里面还包括负极技术,有一种叫做硅的负极技术,可以远远超过今天的碳级材料。

  当然,它在技术应用上可能还有一定的时间问题,未来我想从电池的能量密度,从电池的寿命上讲,很关键的未来的锂金属技术进展非常快,最终真正实现以锂金属为负极的这样一个负极材料之后,我们的电池能量密度突破每公斤200瓦时,300瓦时是非常容易的,也就是几年的时间问题。

  最近几天很多朋友跟我讨论这几年出现比较多的电池,像石墨烯电池等等,我今天想把时间重点从这个角度跟大家分享我们一些公开的这方面的一些资料。石墨烯电池是过去几年炒得非常热的一个电池,这个电池到底怎么样?我们有报道,说十分钟充电跑一千公里,到底是怎么回事呢?能做到那样子吗?电池人们是把它做出来了,但是是什么样的电池呢?到底跟我们今天的电池有多大的区别呢?石墨烯是什么呢?大家一起先了解一下。

  石墨烯是进入本世纪以来人们发现的一种新材料,它并不是谁谁谁合成出来的一种新材料,它在传统的矿物质当中它就是存在。所以因为这件事,因为从石墨当中提取出来的这样一种非常有价值的,导电性能非常好的石墨烯。所以大家都看到,对这件事情十年前科学家们获得过诺贝尔奖,在这之后,因为石墨烯有着非常好的物理性质,化学性质,它已经被应用到很多方面,而且它潜在的未来价值是十分巨大的。

  有人报道,这个报道我也没有看到真正原文的报道,中文的报道是翻译的问题还是什么问题,我们应该继续看一下。按照它的说法,这个电池的储电量是目前市场最好产品的3倍,用这种电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,充电时间不到8分钟。我想对这件事进行一下分析,跟我们现在电池到底有多少区别呢?它讲了,这种石墨烯聚合材料,电池的使用寿命较长,是传统氢化电池的四倍,是锂电池的两倍。虽然石墨烯很特殊,它的成本将比锂电池降低77%,我想就这个疑问我们分析一下。什么叫行驶1000公里?什么叫充电不到8分钟?什么价格是传统电池的一半?

  关于电动汽车或者电池的充电问题,我想10分钟或者8分钟的充电,我们今天的电池完全可以做到这一点。大概用10C这样的倍率去充电,对今天我们的多元正极金属复合氧化物来充电是非常容易做到这一点的。大家记得很清楚,2000年的时候,我们最有名的自然科学杂志上,外国人发表了一篇文章,在15年前就预言,我们喝一杯咖啡,就能让我们的电池充满电了。15年过去了结果怎么样?仅仅从材料评价的结果,得出放大好多倍的一直延迟到电动汽车的结论,今天的结果大家是很清楚的。从材料角度讲导电性能好,做到这一点是没有问题的。但是实际情况呢?2008年北京奥运会的时候我们记得非常清楚,50辆电动公交车要充电,为这件事情北京曾经前后半年左右,为电力的问题,最后也不得不决定,不可能实施这样的一个大功率的充电。

  大家都知道我们今天的电网的基础是在什么上建成的?10C意味着什么呢?比如说要行驶1000公里,按照昨天沃尔沃给出的数据,昨天比亚迪也给出数据了,通常我们行驶100公里,小轿车至少需要15千瓦,20千瓦时的电池,如果要行驶1000公里,就意味着什么呢?我们要用几百千瓦时的电池。如果再用10C去充电,它是什么样的动力呢?我们今天城市的电网是根本做不到这一点。从技术上讲没有任何问题,我们做不到。

  另外,今天我们要推广的比如说家用轿车,如果简单地,我们不用考虑充电桩的问题,如果我们把车开回家,在我们自己电源上能够充电是最方便的,最便宜,最简单的,是最容易实现的。城市的充电桩就是因为这些大功率,想快速充电,这个问题现在实现不了。所以我们今天追求什么呢?比如说我们要用家里的电源充电,我想两个小时,三个小时足可以解决这种问题。

  所以的话,从石墨烯电池的报道,讲8分钟充电,我们的电池也可以做到。但是到底有多大的意义呢?另外行驶距离的问题,他说了,最多可以行驶1000公里。今天我们的电池,我觉得铅酸电池多可以行驶1000公里。所以对电动汽车来说,不能仅仅用行驶距离去描述,一个车上完全拉电池不拉人的话,跑2000公里都没有问题。概念是什么呢?我觉得应该是讲单体积或者单位重量的电池,能驱动一定重量轿车,这样的距离去描述电动汽车的先进性。比如说电池的能量密度。所以的话呢,我想这个事大家就应该很清楚了。

  另外,我们的电动汽车到底应该配置多少电池?到底应该设置到多少公里合适呢?比如说在巴黎有人做过统计,平均大家上下班开车只走25公里左右,像东京也就60、70公里,北京呢?能有多少公里呢?有必要给它配置1000公里的电池吗?在目前电池是很贵的,所以要想做到一个大家能接受的,电动汽车适当地配置电池,适当地考虑它的充电速度,这个我们可能实现得更快一些。当然,其他的技术我们也在考虑。

  关于锂电池的寿命,昨天比亚迪老总的报告看得很清楚,我们跑30万公里,50万公里,按照充一次电跑200公里算,这个寿命很长很长,不管他们的技术如何,我们锂电池的寿命在目前的基础上增加两倍是非常容易实现的。但是我们还有很多其他技术没有跟上来,今年年初我做了一个报告,国家电网提出来,为什么他们买的电池回来单体电池做测试寿命都不错,但是把它组合起来作为模块使用,迅速地衰减,电池之间相互差别迅速地扩大,为什么会出现这样的问题呢?我们使用过程当中的问题太多了。

  关于电池的重量,刚才我说了,只要我们的高电压材料,我们更合适的电解质材料,给我们的材料实现之后,重量能量密度提高两倍是很简单的事情,我们要实现,明天我们就可以实现了。所以那样的石墨烯电池,它跟今天的锂电池概念在结构上是有很大区别的,所以希望大家多关注一下。

  关于电池的价格,他说要便宜77%,算得非常准确,我想大家用不上多长时间就会看得很清楚,我们今天中国单体锂电池的价格昨天大家已经讨论过了,1瓦时1块钱,很便宜了,接近铅酸电池,铅酸电池有多贵呢?但是国外就不是这样的,比如说他是按照国外锂电池的价格算的,在西班牙也好,在欧洲也好,或者在北美也好,至今都看不到一个像样的,没有人在那儿做这些事,所以大家很难想象他们锂电池的价格。到日本的市场上大家可以看清楚,一块携带电话的电池,人民币至少都是在一两百块钱,没有像我们今天这么便宜。所以它这个价格是跟什么地区的价格做对比呢?我希望大家多了解一下。

  这个事就说到这里,关于跟刚才石墨烯电池做对比,我想我们多元金属氧化物正极锂电池的电化学特性也给大家介绍一下,这有几张图,这是我们比较早年的依据了,十年前我们就为北京的数百辆混合动力的电动公交车提供过这样的电池模块,大家可以看左下角的8C充电,10C放电,进行了一千多次的充放电,这是十年前的结果。如果1C充放电是什么样子呢?这是一个5万次的结果,其实作为高功率电池的话性能是非常好的,所以它的使用寿命问题,我们不应该再过多担心。

  简单地说一下石墨烯,因为石墨烯我想用途会非常广的,作为一个新材料,被大家发现十年了,今后在各个领域都有非常好的用途。从化学上讲,它是一个最简单的碳这样的一个分子,在座的都学过化学,它跟苯是一样的结果,6个碳组成的一个环状物,据说在过去在石墨里面没有人注意到,所以它的特性在长时间没有被人们意识到。好在有心人终于在十多年前把它分离出来了,并且因为这件事情,因为对它的性能研究,获得过诺贝尔奖。

  石墨,金刚石,还有石墨烯,它的区别就在这个上面,金刚石为什么硬呢?金刚石也是由碳组成的,金刚石里面完全是由碳组成,碳和碳之间全部都是原子之间的作用力。石墨不一样,石墨可以说是这样的石墨烯一层一层地叠加,它之间靠的是另外一种作用力,它不是像金刚石那样,每层之间金刚石都是碳和碳直接的原子之间的作用力。石墨不是这样,石墨烯就是单层的,在这个二维空间上延展的这样一个化学物质。从这个上面大家可以看得很清楚,什么叫富勒烯,也因为这个获得过诺贝尔奖,或者什么叫纳米碳管,它形成一个三维物体的时候就成为今天的石墨。因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环。

  单层石墨烯,双层石墨烯,多层石墨烯,这样的石墨烯材料它的化学结构也好,它的物理性能也好,很多东西还有待于人们去研究它。但是迅速地把它搞清楚,把它的应用做到前面去,我想我们在座的很多人都已经开始这样的工作了。据说有的朋友已经在这方面做出非常重要的进展,但是从刚才国外报道电池这个角度来看,下面也有别的朋友会讨论,石墨烯毫无疑问是会非常有价值的未来。

  先进的电池我们要关注,落后的电池,过去的电池我希望大家也不要忘记它,昨天我简单地说了一下铅酸电池的问题,现在太可怕了,到了一种什么程度呢?我们一些矿山,采矿地区,导致的健康问题,我们国家已经有大量报道。但是最近在我们的食品当中,在牛奶,在乳制品,在很多方面都出现了严重超标的问题。它会导致什么呢?因为时间的关系,我在这儿就不想多说了。总之,尤其是儿童,我们的后代,会严重地受到铅污染的影响。所以减少铅酸电池的使用,抓紧铅酸电池的回收,今天我们大量的铅酸电池使用完了之后被直接就地掩埋了,这是最严重,最可怕的问题。

  因为时间关系,最后我想讲我们电池应用问题,一个是未来储能方面,锂电池会迅速进入这个领域。另一方面,刚才我说到了铅酸电池,铅酸电池,既然我们锂电池到了1瓦时1块钱了,汽车上的我觉得我们应该考虑用锂电池来取代它了。今后在太阳能,在风能其他自然能源的利用方面,锂电池是会非常有应用价值的,今天的价格已经到了这样的程度。有些朋友已经开始做这方面的工作了。

  举一个简单的例子,比如说最近几个千瓦,几十个千瓦这样小型团体的边防哨所,海岛,使用这样的例子已经大规模地出现了。很多人比如说在蒙古草原,大概有十万户牧民还没有电的,西藏有七十万牧民完全没有电的,云南山上的村民也有很多没有电,这样的小型装置是完全可以解决这样的问题的。所以把我们的锂电池应用迅速地拓展,新的市场是会非常大,也会有利于我们在这些领域当中抢占一些制高点。

  锂电池我觉得当前最迫切的几个课题我想说一下,安全性跟可靠性是一定要改善的,这几年燃烧爆炸的问题太多了。其实我们电动汽车并不是说像人们想象得那么简单,几百公斤的电池搭载到汽车里面,昨天有人公开报道,特斯拉搭载了七百多公斤的电池,能跑多少公里呢?它的安全性、可靠性到底怎么样呢?我们国内的很多汽车厂家的电池寿命,它的容量快速衰减,大家都是有目共睹的。所以可靠性、安全性必须要抓紧时间改善这个问题。

  高能量密度化必须做得更轻,因为时间关系,我们一直在从这几个方面考虑去解决这些问题,这些问题也希望跟更多的朋友一起探讨,今天就到这里,谢谢大家!

  (以上内容根据论坛现场速记整理,未经发言者本人审阅。)

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