CIBF交流會LiBin演講：通過高通量篩選，尋找與發(fā)現(xiàn)電池電極與電解質(zhì)材料
6月20日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦的第十一屆“中國國際電池技術(shù)交流會”在深圳會展中心開幕。本次交流會以“動力電池和儲能電池”為主題，重點(diǎn)關(guān)注了電池應(yīng)用領(lǐng)域。全球50多位電池業(yè)界頂級專家亮相交流會并發(fā)表了主題演講，來自50多個國家和地區(qū)的800多名行業(yè)專家、學(xué)者和企業(yè)家與會。圖為來自美國Wildcat公司的Li Bin先生在CIBF2014中國國際電池技術(shù)交流會上發(fā)表主題演講。
Li Bin
今天我要講一下如何通過高通量篩選法發(fā)現(xiàn)電池電極和電解質(zhì)材料。我們做了很多實驗和設(shè)計，包括合成、測試、分析等，終于找出一種新的方法來幫我們尋找新的材料，在制造平臺方面可以同時合成上百種物質(zhì)，并同時生產(chǎn)上千款電池。由于進(jìn)行了大量的研究和實驗設(shè)計，所以我們有很多數(shù)據(jù)，也可以用自己的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
我先給大家介紹一下高通量篩選的能力。它可以同時進(jìn)行多種正極材料的篩選，通過這種合成方法可以得到很多材料。在過去幾年中，我們將實驗數(shù)據(jù)積累成一個電池數(shù)據(jù)庫來研究各種材料。這些研發(fā)技術(shù)使我們公司在2012年被評為世界五十個最具創(chuàng)新能力公司的之一，其他上榜公司還有三星、谷歌、微軟等。
我們對于材料供應(yīng)鏈，比如電池生產(chǎn)商、汽車公司、醫(yī)療公司、消費(fèi)品生產(chǎn)商等都有合作，同時也與國家級實驗室進(jìn)行過一些合作。我們的研發(fā)成果可以使客戶減少成本，提高導(dǎo)向力，并使產(chǎn)品上市時間加快。
下面我向給大家介紹一下高通量篩選的方法。在實驗中，我們先進(jìn)行合成，然后再進(jìn)行電解質(zhì)的準(zhǔn)備、檢測，最后進(jìn)行篩選，之后再進(jìn)入到第二次設(shè)計。因為每個部門都要實現(xiàn)完全自動化，所以只有通過這種比傳統(tǒng)做法更快的方法，才能做到每個步驟之間的快速互動。
高通量不僅意味著整個生產(chǎn)效率的提高，還意味著實驗的成功性也在提高。實驗前期，良好的前期設(shè)計對于實驗的成敗至關(guān)重要。前期設(shè)計可以讓我們考慮到實驗涉及的多個方面，以及不同合成的狀況，也就更可能獲得成功。由于我們有很多實驗數(shù)據(jù)，因此可以進(jìn)行較為全面的分析，并得到更為優(yōu)化的結(jié)果。因為有了自動化篩選的過程，所以第一次篩選到第二次篩選的速度有所增加。有了系統(tǒng)化的設(shè)計和自動化的篩選，就可以更高效地利用我們的科學(xué)設(shè)備，從而降低成本。
接下來給大家展示一下高通量篩選如何尋找并開發(fā)新的電池材料，以及如何更高效地發(fā)現(xiàn)一些有意義的實驗結(jié)果。在這里我要著重提兩點(diǎn)：第一、我們每次項目的持續(xù)時間大概是3～8個月；第二、在每個項目中，我們要完成很多實驗，其中一個項目進(jìn)行了大約3000至6000個實驗。高通量的篩選比傳統(tǒng)的方法更加高效，以CM1為例，在實驗設(shè)計階段磷酸鹽的涂層非常重要，我們的策略主要分成以下幾個部分：第一是改變磷酸鹽和鋰的比例；第二是通過減少分子的大小來減少分子中的缺陷，提高它的容量和傳導(dǎo)性。由于分子的數(shù)量、結(jié)構(gòu)、大小都要協(xié)調(diào)，如果設(shè)計多個實驗，如何在幾個月內(nèi)全部完成？我們找到了一種復(fù)合物，它的容量比容較高，而且效果也不錯。通過這樣的設(shè)計，在一周之內(nèi)就得到了所需的數(shù)據(jù)。
另外一個例子就是離子硫酸鹽。我們給客戶體提供這種材料供其篩選看重的主要是它的容量。它的容量可以達(dá)到270毫安每克，但這種新材料沒有電鍍壓的減損，這在離子復(fù)合物方面也是一大問題。通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，在其他正極材料平均電壓在下降的情況下，這種新材料的電壓反而上升，而且隨著不同循環(huán)的進(jìn)行，該材料的放電電壓也保持穩(wěn)定。
對于高溶壓電解質(zhì)，我們要看的是它的效率。為了找到EM1，我們先后篩選了5000種物質(zhì)。我們測試了EM1在不同的高壓情況下的表現(xiàn)。在實驗中，我們發(fā)現(xiàn)一種高壓的晶體物質(zhì)同樣可以提高負(fù)極材料的壽命。一種命名為EM1.3的物質(zhì)有超過9種的復(fù)合物，對于不同的正極材料，它的容量表現(xiàn)大大提高。同時，這種物質(zhì)也可能會由于吸附能力不強(qiáng)，造成分布不均勻而導(dǎo)致失敗。但我們發(fā)現(xiàn)一種新的電解質(zhì)添加劑可以解決這個問題。
我們參照以下兩個標(biāo)準(zhǔn)篩選了其他組成部分：一是容量，、二是循環(huán)壽命?？梢钥吹皆跊]有高壓添加劑的情況下它的表現(xiàn)非常穩(wěn)定。在沒有任何電解質(zhì)的情況下添加EM3，EM3和高壓LCO可以很好的復(fù)合合成，EM3可以很好的控制LCO。
下面我給大家介紹一下我們的兩個合作項目。第一是電解質(zhì)的優(yōu)化。我們和世界最大的電池生產(chǎn)商進(jìn)行合作，我們需要開發(fā)新電解質(zhì)來提高其電池在高溫下的壽命。我們在4個月內(nèi)進(jìn)行了3000個實驗，并得到了高容量，壽命長的電池。第二是我們和全球的材料供應(yīng)商一起合作的項目，我們在8個月里進(jìn)行了6000個實驗，希望可以提高正極材料的能源密度，同時提高它們在高溫情況下的壽命。通過實驗可見它們在高溫下的表現(xiàn)也很不錯。
篩選的工具是種新材料，而且是世界上獨(dú)一無二的。通過這種高通量的篩選方法可以找出材料合成和電化學(xué)方面的特性，并縮短研發(fā)時間、降低成本，提高實驗的成功性。我今天介紹的僅僅是我們70多個項目中的2種正極材料——CM1、CM3，和兩種電解質(zhì)添加劑。
謝謝大家！
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