中科院雄文——电池:从中国的十三五规划到十四五规划

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摘 要

中科院雄文——电池:从中国的十三五规划到十四五规划

电池是能源、信息和交通革命的关键支持技术。许多国家和公司已经制定了中长期规划,以促进电池科学和技术研究。近日,中科院物理所李泓研究员、禹习谦研究员eTransportation期刊撰文,详细总结了2016-2020年中国电池的进展和未来五年(2021-2025)的重点课题。并基于目前基础研究和技术发展的进展,提出了电池发展的路线图。

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引 言

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为推动《联合国气候变化框架公约》和《巴黎协定》的全面有效实施,中国已经承诺在2030年前实现二氧化碳排放峰值,在2060年前实现碳中和。在此期间,先进电池将在高比例的可再生能源整合、交通电气化和设备智能化方面发挥重要作用。它成为促进绿色、低碳和可持续发展的一项关键技术。

由于电池具有如此重大的意义,许多国家都制定了战略研发计划以发展先进的电池技术。欧洲电池联盟(EBA)已经支持了近70个工业项目,总投资约200亿欧元(约1400亿人民币),以创建一个可持续的电池制造链。美国在2021年6月启动了”2021-2030年国家锂电池蓝图”,并在2021年12月启动了Battery 500联盟的第二阶段(7500万美元),旨在推进研发能力,建立国内锂基电池的供应链。日本新能源和工业技术开发组织(NEDO)已经部署了”电动汽车创新电池开发(RISING III)”计划,(期限:2021-2025年,投资额:166亿日元)。韩国在2021年7月公布了”2030年二次电池产业发展战略”,总投资额为3066亿韩元。中国一直将先进的电池技术,特别是锂离子电池技术的发展纳入国民经济和社会发展的五年计划(从第六个到第十四个),持续的投资使中国成为生产锂离子电池的领先国家。商用锂离子电池的能量密度从不足100 Wh/kg提高到300 Wh/kg以上,循环寿命从百次提高到10000次以上,而电池的价格从5元/Wh以上降到0.5元/Wh以下。同时,在2020年,中国的电池制造能力为567GWh,占全球产量的76%。

本文详细地介绍了中国先进电池领域与”十三五”(2016-2020年)相关的主要成就,然后讨论”十四五”(2021-2025年)下一代先进电池技术的发展目标和技术路线。

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“十三五”期间技术成果的简要总结

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在”十三五”期间,科技部通过六个国家重点研发计划制定了27个先进电池项目(表1)。其中,”新能源汽车”计划支持了13个项目,总投资7.5亿元,用于支持汽车电池的研发和大规模产业化。此外,”智能电网技术与装备”项目资助了5个项目,总投资2.94亿元,用于支持电网大规模储能的先进电池技术研发。其余9个项目分别在”纳米技术”、”深海关键技术与装备”、”转化技术关键科学问题”和”材料基因组工程关键技术与支撑平台”等四个国家重点研发计划中获得资助,总投资约1.5亿元。此外,国家自然科学基金委员会(NSFC)、中国科学院(CAS)和各省市政府也为先进电池的研发和制造提供了资金和政策支持。国家自然科学基金委投资约5000万元用于电池的基础研究。中科院的”战略重点研究计划”投资2.9亿元用于推进汽车电池,投资1.6亿元用于开发储能电池。综上所述,”十三五”期间国家资金共投入18.44亿元,支持先进电池的研发。这一时期(2016-2020年)的主要成就将在以下四个小节中非常简要地介绍:汽车电池、储能电池、固态电池和其他电池。

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电动车电池 为了实现更高的能量密度,采用高镍层状氧化物正极和纳米硅基负极的汽车锂离子电池系统已经被开发出来。在电池层面,一些公司如宁德时代和力神已经达到了300 Wh/kg的能量密度和1500次的循环寿命(图1)。在电池组层面,国泰君安和宇通等公司实现了200 Wh/kg的能量密度和低于1.2元/Wh的价格,并且电池组达到了国家电动汽车大规模示范的安全标准。此外,还有一系列创新的工程技术,如宁德时代的”电池到电池组”(CTP)和比亚迪的刀片电池结构,大大改善了电池能量密度和安全性。上述研究成果已按项目要求在商用电动车上得到了验证。

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在开发具有更高能量密度的下一代汽车电池方面,大学和研究机构发挥了重要作用。各种先进的电池系统,包括富锂正极/硅碳负极(400 Wh/kg,500次循环,宁波材料技术与工程研究所与中科院物理所等9个研究所),锂金属混合固/液电池(400 Wh/kg,中科院化学所与其他5个团队一起)。锂/硫电池(400 Wh/kg,中南大学为主导团队)、锂/空气电池(600 Wh/kg,中科院长春应用化学研究所为主导团队)和锂/钠/空气电池(500 Wh/kg,南开大学为主导团队)已经开发完成。这些研究在完成项目后的技术准备水平(TRL)是在4-6级之间。同时,各种关键的电池材料,包括富锂层状氧化物、纳米硅/碳复合材料、固体电解质涂层隔膜和柔性集电体都在这些材料中得到了发展。项目达到试生产水平,促进了高能量密度锂离子电池的发展。

储能电池 目前已开发出多种类型的储能电池,包括锂离子电池、钠离子电池、固体锂离子电池和全钒液流电池。在”十三五”期间,以宁德时代为代表的企业实现了100兆瓦时级储能系统的示范,电池循环寿命超过12000次,预期使用寿命超过15年,成本低于0.15元/小时。同时,在大规模储能系统的高一致性模块集成和在线监测、电池寿命预测、电池安全、统一调度和系统控制等领域取得了技术进步。

固态电池 固态电池的发展是实现高能量密度和高安全性的下一代电池的重要途径。许多大学和研究机构在固态电池领域取得了重要成果,包括南开大学、清华大学、中国科技大学、青岛生物能源与生物工艺技术研究所、化学研究所和物理研究所。许多新型材料已经被开发为固态电解质,如水稳定的硫化物,Li2ZrCl6,LiZr2Si2PO12、聚碳酸丙烯酯、聚醚-丙烯酸酯和PMA/PEG/SiO2复合材料。同时,各种新技术被开发以促进固态电池的工程和大规模制造。例如,物理所开发了一种原位聚合策略,通过将液体电解质部分转换为固态电解质来实现固态电池的制造。这种策略可以解决固态电池中关键的固-固接触问题,并与现有的锂离子电池制造工艺兼容。目前,基于原位凝固技术制造的电动汽车电池已由Welion Inc.成功开发,该公司是一家基于物理研究所技术成立的初创公司,可实现360 Wh/kg的比能量密度,800倍的循环寿命,并能通过安全测试。还有几家专注于固态电池的公司,包括清陶(2016)和赣锋锂业(2017),也在”十三五”期间成立。

钠离子电池 用于储能应用的钠离子电池技术的发展已经取得了快速的进展。物理所的研究团队在开发新型电极材料和电解质方面取得了巨大成就。复旦大学、上海交通大学、厦门大学等钠离子电池的应用已经在不同的应用场景中得到了证明。

其他电池 其他电池技术,如钒基液流电池、液态金属电池和水电池,已经取得了重大进展,并在大规模储能应用中证明了其可行性。对于以特殊应用场景为目标的电池技术,在极端环境下(如深海和深空)采用电池时应满足严格的要求。新太行电源等公司已经开发了容量超过40千瓦时的深海电池组,并在11000米以上的水深进行了测试。

随着先进电池能量密度的不断增长,对电池安全的控制变得越来越重要。因此,人们对电池热安全机制、热失效模型和电池的构建进行了系统研究。同时,智能传感技术已经实现了实时监控电池温度和产气行为。在工业上,对整个电池寿命的热安全进行评估的方法得到了很大的发展2汇总了所有公司/机构及其在十三五规划中的研究工作。

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“十四五”规划展望

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为实现碳达峰和碳中和的目标,中国将加大对储能电池发展的支持力度。先进电池的项目将继续分布在各个国家重点研发计划中。共有19个国家重点研发计划涉及到先进电池的发展(图2),包括”高端功能与智能材料”、”储能与智能”、”智能电池”、”电网技术”、”新能源汽车”和”智能传感器”。每个电池相关项目将涵盖生产和创新链上的研发,每个项目的内容和目标不应重复。在”十四五”的第一年,已经批准了15个项目,支持从面向大规模生产的锂离子电池技术到下一代高比能量全固态金属阳极电池的研发。从技术指标来看,先进电池的总体发展目标是:重量能密度达到300~600 Wh/kg,体积能密度达到700~1000 Wh/L,循环寿命达到500~15000次,速率能力达到1C~5C,工作温度达到-40 ~80 ,价格低于0.08美元/Wh,电压衰减低于8%,本征安全(图3)。此外,”储能与智能电网技术”国家重点研发计划为储能电池的发展提供了更全面的目标。与”十三五”规划相比,”十四五”规划中的储能电池技术指标有了明显的改善。储能系统的每循环储存成本(LCOS)将从0.4-0.6元/小时降至0.1-0.2元/小时(降低三倍)。使用寿命将从8-10年增加到20年(增加两倍),而循环寿命将从5000-10000次增加到15000次(增加1.5倍)。储能能力将从100兆瓦时增长到100万瓦时(增长10倍)。安全水平将从相对安全提高到本征安全。值得注意的是,智能传感器将被植入电池中,以提供电池的智能检测和控制。

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在”十四五”期间,先进电池的研发活动将主要集中在新材料和新技术的开发上(图3)。新型电池材料,包括第三代纳米Si/C负极、含锂负极、无机固体电解质、聚合物固体电解质、固体电解质隔膜、高压LCO、无钴正极、富锂阴极、无锂正极、超级粘合剂、石墨烯/SWNT和MPCC将是关注的对象。在新技术方面,固体电池、原位固化、预锂化、热层、干式电极、快速堆积、CTP、智能传感器、先进的TMS、精确模拟、在线检测和人工智能辅助研发将得到进一步发展。通过推动新材料和新技术的逐步实施,先进电池有望取得重大进展。

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先进电池的长期路线图

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从综合来看,可以预测电池的发展路线是先从液态开始,然后经过固/液混合,最终在10-15年的时间范围内实现全固体电池。根据电池能量密度的不同,发展路线可以分为三部分(图4)。能量密度低于200 Wh/kg的电池主要用于储能,钠离子电池、磷酸铁锂和锰酸锂电池将是主要选择。能量密度为200-300 Wh/kg的电池将满足600公里电动车和其他应用的要求。有竞争力的技术是升级的磷酸铁锂、锰酸锂和LNMO电池,他们成本低、安全性高。高能量密度的电池(300-600 Wh/kg)可以满足长程电动车、电子飞机或机器人的需求。可能的技术是高镍三元和富锂正极与高容量纳米硅/碳或锂-碳复合负极相结合。当然,为了提高安全性,需要固态电解质,固态电池将成为高能量密度电池领域的有力竞争者。如果锂/硫电池的循环寿命能够得到显著改善,那么对于那些关心成本、重量级能量密度但不关心体积级能量密度和速率的应用来说,它也是很有前途的。

上述技术路线图的实现需要全面的努力。这需要建立对基础科学(如热力学、动力学、机械学、安全性)和制造技术(材料、电池、模块和电池组)的计划。在这个过程中,先进的材料表征方法、模拟和建模,加上机器学习/人工智能,将在理解基本科学问题方面发挥关键作用。同时,在制造技术的迭代发展中,实验设计(DOE)、高通量/自动化实验和标准操作程序(SOP)将是关键随着对先进电池研发的持续和不断增加的投资,我们可以预见新的电池技术将在不久的将来迅速发展和广泛应用。电池的革命将在未来五年内发生。

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文献链接

中科院雄文——电池:从中国的十三五规划到十四五规划

Quan Li, Xiqian Yu, Hong Li.Batteries: From China’s 13th to 14th Five-Year Plan, eTransportation, 2022, 14, 100201.

 

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