上海硅酸鹽研究所能源材料研究中心主任溫兆銀：鈉電池技術(shù)新突破
點(diǎn)擊進(jìn)入峰會(huì)直播專題：儲(chǔ)能國(guó)際峰會(huì)暨展覽會(huì)2018
4月2-4日，“儲(chǔ)能國(guó)際峰會(huì)暨展覽會(huì)2018（ESIE 2018）”在北京國(guó)家會(huì)議中心舉行。上海硅酸鹽研究所能源材料研究中心主任溫兆銀在主題論壇上做演講。以下是演講內(nèi)容：
上海硅酸鹽研究所能源材料研究中心主任 溫兆銀：
我今天的演講包括這么幾個(gè)方面的內(nèi)容。首先特別想回顧去年在北京國(guó)際儲(chǔ)能大賽上，也有創(chuàng)新大賽top10的評(píng)選，其中我們實(shí)驗(yàn)室研制成功的陶瓷電解質(zhì)固態(tài)鋰電池，用陶瓷作為制密陶瓷作為隔膜，有效的解決了鋰硫電池穿梭效益?？梢灾苽浯蟪叽绲墓虘B(tài)電池，可以實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行，進(jìn)入創(chuàng)新典范top10，回顧這個(gè)，一方面感覺(jué)儲(chǔ)能大賽的重要性，而且今年我看了，昨天在評(píng)選儲(chǔ)能大賽的top10，大家報(bào)名非常踴躍，而且大家的技術(shù)也是在不斷的進(jìn)展，大家非常重視，在國(guó)際上都有影響力的評(píng)選。
在這里我們可以看到陶瓷電解質(zhì)在我們電池中間起到的關(guān)鍵的作用，解決了鋰硫電池中間在液體電解質(zhì)里面不能克服的穿梭效應(yīng)，這是我想回顧這個(gè)事情的目的。鈉電池中間有兩種電池就用了陶瓷電解質(zhì)，而且是在儲(chǔ)能領(lǐng)域里面發(fā)展的特別快，而且有了非常有影響力的應(yīng)用的兩個(gè)電池，一個(gè)鈉硫電池，和鈉氯化物電池，這張表我們列出了幾種鈉電池的技術(shù)，對(duì)他們進(jìn)行了主要性能的比較，鈉硫電池和鈉氯化物電池他們用了陶瓷電解質(zhì)作為隔膜，他們比能量都比較高，甚至可以高到150到200瓦時(shí)每公斤。這樣兩個(gè)電池，雖然目前已經(jīng)進(jìn)入了規(guī)?；瘧?yīng)用，比如說(shuō)鈉硫電池，剛才也看到NGK市場(chǎng)總監(jiān)也在場(chǎng)，應(yīng)該說(shuō)鈉硫電池，我把它比喻成就像現(xiàn)在在游泳比賽一樣，在全世界那么多運(yùn)動(dòng)員都在齊頭并進(jìn)的時(shí)候，確實(shí)有那么一個(gè)鈉硫電池確實(shí)非常領(lǐng)先。而且在其他眾多的運(yùn)動(dòng)員面前了表現(xiàn)了非常強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)力，鈉氯化物電池和鈉硫電池相比有優(yōu)秀的地方，突出的地方是它的安全性特別高，隨著鋰離子電池不斷走向應(yīng)用，資源的問(wèn)題越來(lái)越突出，關(guān)于鈉離子的研究，跟鋰離子電池在平行的開(kāi)展，而且可以說(shuō)是方興未艾。
另外包括鈉空氣等等，這樣一些新型的電池，總體來(lái)說(shuō)現(xiàn)在大家都在開(kāi)發(fā)過(guò)程中間，離真正的規(guī)?；膬?chǔ)能應(yīng)用還有距離。這是鈉硫電池和鈉氯化物電池結(jié)構(gòu)的特征，正因?yàn)檫@兩個(gè)電池都已經(jīng)取得了比較成功的應(yīng)用，所以我想把這個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單介紹以下。這兩個(gè)電池的共同點(diǎn)就是陶瓷電解質(zhì)作為隔膜。在這個(gè)中間，他們共同點(diǎn)采用的管形的設(shè)計(jì)把它作成陶瓷管，把我們的活性物質(zhì)裝到電池的管內(nèi)管外，這樣經(jīng)過(guò)各種組合以后，就形成了我們的單體電池，正是因?yàn)楦鷦偛诺匿嚵螂姵?，我們用了鋰離子的隔膜，因?yàn)橛辛蒜c離子的隔膜，讓我們的電池中間不存在任何其他的可能的副反應(yīng)。這兩個(gè)電池不同的地方一個(gè)是鈉和硫，生成硫化鈉的反應(yīng)，還有鈉和氯化鎳，生成氯化鈉和鎳的反應(yīng)。這是簡(jiǎn)單的反應(yīng)過(guò)程。首先在正常工作的區(qū)域，它會(huì)有一個(gè)比較平穩(wěn)的工作區(qū)間，這個(gè)電池還有這樣一個(gè)反應(yīng)，非常安全，還有一個(gè)特點(diǎn)過(guò)充和過(guò)放的時(shí)候分別出現(xiàn)另外一個(gè)平臺(tái)，這兩個(gè)平臺(tái)有一定的可逆性，而且非常的安全，這樣一個(gè)電池有耐過(guò)充耐過(guò)放的特點(diǎn)，整個(gè)這個(gè)電池是非常安全的體系，包括它的運(yùn)行過(guò)程也都非常安全。
所以，以美國(guó)GE公司他們研發(fā)的電池，在很多方面都獲得了應(yīng)用。特別是他們研制了這個(gè)電池，在英國(guó)勞斯萊斯制造的載人潛艇人得到了應(yīng)用，這是動(dòng)力電池的技術(shù)，正是因?yàn)樗懈叨鹊陌踩?，用到了載人的水下航行器。目前包括GE公司他們發(fā)展的基礎(chǔ)已經(jīng)有了50兆瓦儲(chǔ)能應(yīng)用的業(yè)績(jī)。
在美國(guó)也有一個(gè)預(yù)測(cè)，在未來(lái)的十年中間，鋰離子電池，液硫電池，還包括鈉氯化物電池，未來(lái)儲(chǔ)能電池中間認(rèn)為是前三位的儲(chǔ)能技術(shù)。2017年1月18號(hào)美國(guó)GE公司和我們國(guó)家電池產(chǎn)能最大的超威公司合作，在中國(guó)實(shí)現(xiàn)鈉氯化物電池產(chǎn)業(yè)化。應(yīng)該是一個(gè)非常有影響力的系統(tǒng)。
剛才包括鈉電池，鈉硫電池也好，鈉氯化物電池也好，他們的核心材料，陶瓷，整個(gè)的制作過(guò)程非常的復(fù)雜。這樣一個(gè)過(guò)程他們包括了成型的技術(shù)，到陶瓷的技術(shù)，正因?yàn)檫@樣一個(gè)核心材料是氯酸鈉的體系，給這樣一個(gè)材料的制造帶來(lái)了非常大的困難，需要很多特殊的技術(shù)跟它匹配。最后我們還有很多電池部件需要進(jìn)行組合，我們獲得這樣一個(gè)電池體系，這個(gè)是我們?cè)O(shè)計(jì)的電池的結(jié)構(gòu)，我們目前采用圓形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這是50安時(shí)的電池設(shè)計(jì)，包括GE公司他們采用方形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，他們的目的也是為了增大反應(yīng)的比表面，我們采用圓形的設(shè)計(jì)，為我們的大容量，高比表面電池體系奠定了基礎(chǔ)。所以我們目前設(shè)計(jì)的電池的容量在50到200安時(shí)，這個(gè)也是方形電池比較難以實(shí)現(xiàn)的。
管形設(shè)計(jì)跟燃料電池類似的還有平板設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，在座的楊教授他們?cè)瓉?lái)對(duì)這個(gè)教授進(jìn)行了很多的研究工作。
鈉電池在市場(chǎng)的表現(xiàn)非常好，鈉硫電池。我們鈉氯化物電池也開(kāi)始走向應(yīng)用，一方面因?yàn)殁c資源在電池中間的應(yīng)用，使成本得到很大的降低。我們來(lái)看看我們中國(guó)和國(guó)外相比，我們?cè)阝c電池這塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，這是最大的差別。我們?cè)谶@幾年的工作中間對(duì)鈉氯化物電池進(jìn)行了技術(shù)突破，概括為這幾個(gè)方面，一個(gè)大容量化低成本，儲(chǔ)能電池跟動(dòng)力電池不一樣，我們需要單體電池，而且大容量，低成本，所以我們研制了一套低成本組合技術(shù)，這個(gè)應(yīng)該說(shuō)對(duì)我們的電池制造的成本的大幅度下降起到了非常核心的作用。再一個(gè)高穩(wěn)定性，自修復(fù)技術(shù)，這個(gè)電極跟鈉硫電池不一樣的時(shí)候，運(yùn)行過(guò)程中間有不穩(wěn)定的界面，同時(shí)有顆粒的變化，所以需要進(jìn)行修復(fù)。低阻抗電極技術(shù)，目前這樣一個(gè)技術(shù)專門在建立示范產(chǎn)業(yè)縣。
鈉硫電池正極的穩(wěn)定性和它在運(yùn)行過(guò)程中間內(nèi)部的物質(zhì)的長(zhǎng)大直接相關(guān)，正因?yàn)橛羞@樣一些固體物質(zhì)的長(zhǎng)大，使這個(gè)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程在不斷的緩慢。而且顆粒長(zhǎng)大的過(guò)程使離子擴(kuò)散收到影響，反應(yīng)也同時(shí)被這個(gè)阻止，所以我們對(duì)這樣一個(gè)電極進(jìn)行設(shè)計(jì)。這是我們通過(guò)電池在線形成硫化鎳的過(guò)程，在鎳顆粒的表面，我們通過(guò)在線生成硫化鎳，同時(shí)利用硫和鎳在線的生成，來(lái)彌補(bǔ)在運(yùn)行過(guò)程中間可能形成的保護(hù)膜的破裂，通過(guò)這樣一個(gè)改善。我們來(lái)看看在納米層的修飾，我們使穩(wěn)定性得到了非常大的提高，沒(méi)有修飾的時(shí)候，我們通過(guò)控制電池的條件，非?？斓乃p。通過(guò)修飾可以使它的穩(wěn)定性得到大幅度的提高。
這是電極的技術(shù)。另外鎳在電池中間起到傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的作用，所以，用什么樣的鎳在電池中間非常重要，現(xiàn)在商業(yè)化的鎳，都以有一定的連續(xù)性的顆粒的鎳為原材料，我們通過(guò)借助于磁場(chǎng)作用形成的這種絲狀的，使得三維的過(guò)程中間形成的碳包覆，使穩(wěn)定性得到了非常大的提高，因?yàn)檫@這樣一個(gè)體系，我們看看電池內(nèi)阻的穩(wěn)定性，如果沒(méi)有這種設(shè)計(jì)，它的阻抗會(huì)快速的增長(zhǎng)。
利用這樣一個(gè)形成的體系，我們看看電池性能得到了大幅度的穩(wěn)定的提高，這是我們改善以后的電池性能。如果采用普通的鎳，它的穩(wěn)定性會(huì)是這樣子的。這樣一個(gè)設(shè)計(jì)，我們目前直接應(yīng)用在電池中間。
另外一個(gè)界面，它是一個(gè)固體電解質(zhì)的體系，同時(shí)它在我們反應(yīng)過(guò)程中間有少量的固體物質(zhì)在電極中間。所以它會(huì)有一個(gè)高的阻抗，甚至有不均勻的界面，所以我們要對(duì)這樣一個(gè)界面進(jìn)行改善。我們?cè)O(shè)計(jì)的很多的技術(shù)路線，其中一種技術(shù)路線就是用我們均勻的導(dǎo)電涂層，使我們表面，甚至內(nèi)部的不均勻化在表面得到改善。我們有代表性的工作就是多孔鎳的修飾，如果沒(méi)有這樣一個(gè)修飾金屬鈉幾乎不能在陶瓷表面，經(jīng)過(guò)多孔的修飾以后我們的潤(rùn)飾性得到了改變，有了改變，使電池電流特性得到極大的改善提高。這個(gè)是電池工作特性的情況，因?yàn)檫@樣一個(gè)改善，我們消除了它的非對(duì)稱極化，同時(shí)使密度得到有效的提高。
我們也和國(guó)外一些電池性能進(jìn)行比較，通過(guò)穩(wěn)定性的比較，我們部分指標(biāo)甚至超過(guò)國(guó)外產(chǎn)品的性能。
50AH的技術(shù)已經(jīng)成立上海奧能瑞拉新能源股份有限公司。我們預(yù)計(jì)在今年年底我們會(huì)有正式的電池產(chǎn)品會(huì)形成。我們也期望這個(gè)技術(shù)能夠早日得到應(yīng)用或者示范應(yīng)用。我給大家簡(jiǎn)單介紹了鈉氯化物的情況。鈉系電池從根本上解決鋰電池資源問(wèn)題，鈉氯化物電池是一種安全性極高的電池體系，可滿足特殊動(dòng)力應(yīng)用的需求，通過(guò)電池和界面技術(shù)，為電池的改善起到了實(shí)質(zhì)性的作用，我們現(xiàn)在正在向示范產(chǎn)業(yè)推進(jìn)，我的報(bào)告給大家簡(jiǎn)單介紹到這兒。感謝大家！
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