金钟：电动车用储能新型材料与器件解读

“新能源汽车目前发展比较快的有不少，铅酸电池汽车、锂离子电池汽车、超级电容汽车等等。可以看出来，电化学储能材料和器件是新能源汽车心脏的部位，技术研究的进步可以大力推动新能源汽车技术的进步。”4月23日，在全国新能源汽车运营产业联盟主办的“2018中国绿色物流行业高峰论坛”上，南京大学化学化工学院介观化学教育部重点实验室教授金钟教授和大家探讨了未来新能源器件未来储能材料和器件的发展方向，并共同展望了未来技术发展趋势。

 

金钟教授在本次论坛上带来的主题演讲是《电动车用储能新型材料与器件》，分别从能源储备，动力电池及动力系统方面提出了独特见解。并对未来储能器件的技术研发提供了几个关键选项。以下为主要演讲内容。

 

 我们都知道，现在的社会是电能驱动智能社会。从水电、火电发电站，再到新能源发电站，产生的电力都是需要通过智能电网输出到千家万户。像新能源汽车领域是离开电网工作的，这时候需要高校新型的能源存储技术，使得以往运行的这些电子设备有一个动力的供应。因此，行业中对能源存储技术的需求也是非常迫切的。

如果从科学的角度上来看一下能源存储的方式和方法，那么基本上是和物理学能量的形式是密切不可分的。比如说最基础的，也是最传统的化学燃料就是利用化学存储能量的方式，包括生物燃料是非常有效的利用方式。还有电化学能，有各种电池，利用电池的技术来进行能源存储的方式。还有超级电能，就是用电解液里面来进行能源存储。这里面有直接、间接、大规模和小规模存储。我们必须对这里面很多技术进行机器的优化，寻找合适的方式方法，以及几种方法的组合。

新能源汽车目前发展比较快的有不少，铅酸电池汽车、锂离子电池汽车、超级电容汽车等等。可以看出来，电化学储能材料和器件是新能源汽车心脏的部位，技术研究的进步可以大力推动新能源汽车技术的进步。举一个例子，我们国家科技部在2016年就在第一批国家重点研发计划项目里面就有重点研发专项，这会持续五年，每年会投入大概10亿的经费去促进新能源汽车的发展，包括6个创新链和38个重点研究任务。主体目标就是继续深化实施新能源汽车纯电驱动的技术转型战略，收集新能源汽车动力系统技术平台。抓住新能源、新材料、信息化等科技带来的新能源汽车新一轮技术变革机遇，超前部署研发下一代技术。

 

第一条创新链，动力电池与电池管理系统。这是行业领域里面核心的一个问题。还有电机驱动系统、电动汽车智能化系统、燃料电池动力系统。可见动力电池是这个任务里面的重中之重。如果把这个任务细分的话，可以发现我们国家对新能源汽车动力技术研发，已经有了非常好的规划，指标也是非常明确。第一个指标就是高安全、高比能乘用车电力电池系统。另外是为了高安全、长寿命的客车动力电池系统，170瓦时每千克，要求3000次，对充电桩速度非常严苛，15分钟达到80%电量。高比能锂硫电池、高比能固态锂电池，这些其实都是非常难以实现的。可以说以现在的锂电池技术是无法实现的。

可见，如果想要真的把电动汽车技术再往前推进一步，就必须抛开锂电池技术，研发新型电池技术。并且充电桩效率、技术成熟的稳定性、成本问题等等，都是在进行研发时需要考虑的。下一代的技术究竟会用哪一些电池系统，需要在座各位和专家进行一些深入的思考。

金钟教授提到下一代储能器件的可选项时讲到，如果要进行技术研发的话，有以下几个领域是必须非常关注的。第一，现有负极材料的改造，从“硬碳”到“硅碳”。还有超级电容器、锂离子电容器去替代电池。锂硫电池、全固态电池、金属电池等等，这些是大功能动力电池可能转型的选项。

第二，锂硫电池。用硫磺进行电量存储，便可以非常大容量去存储能量。因为硫是材料里面容量最高的，锂也是很高的，那么搭配起来锂硫技术含量可以达到原来的3倍以上。同时由于硫的价格非常低，储量丰富，因此在以后用硫做电池，可以有一个成本优势。但这里面还有一些问题需要解决，比如说充放电速度比较慢，循环寿命比较差，还有一些安全性和耐温性的问题没有解决。对此金钟教授也进行了很多研发工作，比如用一些符合的材料存储硫，可以提高锂硫电池的循环寿命。在充放电情况下，容量可以达到800毫安时每克，已经超过了国家研发计划的目标。这个工作在文献里面是比较先进的，在国际上也是比较先进的。

另外就是更新一代的储能器件，比如说全固态电池。这里面的设计思路就是用一些陶瓷类的固态去替代液态的电解液。优点就是安全性非常高，不用担心有起火的事故，同时容量密度非常高，把电解液重量削减。同时，循环寿命也很长。但是现在的问题就是里面的内阻比较大，充放电速度需要得到解决。

 

还有就是更新一代的一些概念的技术，比如说钠电池、镁电池、铝电池等等。是否可以用一些金属去替代，寻找一些替代资源去降低成本。而海水中这些离子的储量非常大，如果用这个去替代的话，成本可以极大地削减。目前来说，这些电池技术的研发处于一个实验室的阶段，但是前景是非常明朗的。

最后一个，金属锂空气电池。前面的要么就是固态的，要么就是一些和电解液进行搭配的比较重的一些材料。但是如果负极用金属锂材料，再搭配上空气，就可以作为正极来使用。这样的话，就可以减轻一半的重量。预期的能量密度可以说是现在所有电池里面最高的，甚至要高一倍，是一个非常有前景的技术。但是目前来说，现在有非常多的问题，比如说循环设备问题，还有充放电速度，还有催化剂设计等等都有扩大的空间。目前来说，还处于一个实验室研发阶段。

 最后，金钟教授做了一个小结：电动车储能电池和技术路线可以分三个步骤，可以改善现有的锂离子电池。比如说用硅碳负极去替代石墨负极，用三元材料正极去替代现有正极。此外，我们的中期选择就是必须去研发锂硫电池、全固态电池的新型电池系统。因此，我们要长期关注钠、镁、铝、金属锂空气电池。