CIBF交流會(huì)潘鋒演講：三元材料的基理、分析及計(jì)算
6月20日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦的第十一屆“中國(guó)國(guó)際電池技術(shù)交流會(huì)”在深圳會(huì)展中心開幕。本次交流會(huì)以“動(dòng)力電池和儲(chǔ)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(jí)專家亮相交流會(huì)并發(fā)表了主題演講，來自50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的800多名行業(yè)專家、學(xué)者和企業(yè)家與會(huì)。圖為來自北京大學(xué)的潘鋒教授在CIBF2014中國(guó)國(guó)際電池技術(shù)交流會(huì)上發(fā)表主題演講。
潘鋒：
我今天的報(bào)告主要包括三個(gè)部分。第一部分，介紹一下北京大學(xué)的新材料學(xué)院；第二部分，基于我們電池設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)來論述三元材料的基理；第三部分，與大家分享三元材料的全面理論分析和計(jì)算。
應(yīng)市長(zhǎng)市政府的邀請(qǐng)，希望北大支持深圳的新材料和新能源的發(fā)展，所以三年前北京大學(xué)在深圳研究生院成立了新材料學(xué)院。主要聚焦清潔能源材料，特別是電池，我們大概80%的力量集中在研究電池材料的改進(jìn)，以及下一代電池的概念、材料和體系的發(fā)展。
我們模仿國(guó)外大公司的做法，對(duì)新材料，特別是電池新材料進(jìn)行研發(fā)，包括材料的設(shè)計(jì)、可控制備評(píng)測(cè)新材料，以及產(chǎn)業(yè)化的維度。我們?cè)谏钲诘奶厣敲嫦虍a(chǎn)業(yè)，跟北大的本部有所區(qū)別。
我們最近建了一個(gè)工業(yè)研究院模式，有模擬計(jì)算、可控設(shè)備及基礎(chǔ)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)，所以我們想建設(shè)一個(gè)從材料評(píng)測(cè)一直到電池評(píng)測(cè)的系統(tǒng)。我們目前處于建設(shè)材料的初步階段，并自建了ALD，從原位可以看SAS，對(duì)電池的電化學(xué)的測(cè)量以及工程的測(cè)量。
深圳的動(dòng)力電池發(fā)展迅速，也是動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)聚集地，坪山13公里將建立成一個(gè)新工業(yè)基地，所以我們?cè)谶@個(gè)地方成立了工業(yè)研究院，對(duì)深圳市的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)和電動(dòng)汽車起技術(shù)支撐和服務(wù)作用?；谶@些，我們聯(lián)合深圳的八家企業(yè)拿到了一個(gè)創(chuàng)新工程，其中一個(gè)重要的項(xiàng)目是到2015年實(shí)現(xiàn)150Wh 及180Wh每公斤的電池組，我們是其中的技術(shù)支撐單位。目前的材料來看，能夠符合要求的只有三元材料和三元改性材料，因此我們對(duì)三元材料的基理有了更深刻的認(rèn)識(shí)。任何一個(gè)三元材料球狀是由大概200納米構(gòu)成的小顆粒，如果做成電極在電鏡下觀察會(huì)看到有些碳黑被覆蓋了，有些碳黑沒有被覆蓋，加一些碳管后可以把顆粒跟顆粒連接，把極化性能降低一些。我們?cè)O(shè)想如果這個(gè)大顆粒，像我們?cè)谝粋€(gè)地方針灸一樣，三元材料就可能會(huì)引起一些相變，從而引發(fā)電池安全性問題。高電壓情況下也會(huì)引發(fā)相變。如果將三元材料不是點(diǎn)接觸，而是像繩子一樣連起來大面積接觸，然后把這些碳管網(wǎng)起來，會(huì)看到在這上面會(huì)形成小顆粒與小顆粒之間的連接，然后大顆粒和大顆粒連接，導(dǎo)致的結(jié)果是電阻的阻抗降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這種情況下如果把電壓提高到4.8伏，真正讓電池顆粒感受到的電壓和實(shí)際加的電壓基本相等，在這種情況下它的釋放電可以達(dá)到250伏左右。所以這時(shí)可以把電池真正的容量很好的釋放，減少相變。
我們發(fā)現(xiàn)高電壓到450以后，碳管也可以作為活性物質(zhì)。大家都在想怎樣提高電池的活性，所以我們還做了倍率性能實(shí)驗(yàn)，大概15%左右，這時(shí)看C-V曲線，有很多峰疊加在一起，這是顆粒界面的不均衡造成的，加了碳管后，電壓從3.7伏左右開始升高，而后面是一個(gè)緩慢的過程。我們?cè)趯⑷牧蠘O化后，可以看到它的動(dòng)力學(xué)行為。
我們有較強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)做材料基因組計(jì)劃，現(xiàn)在深圳市政府超算中心給我們1500個(gè)核，我們自己買了500個(gè)核，所以我們有2000個(gè)核的計(jì)算。所有的三元材料，實(shí)際上在3.8伏到3.9伏之間，只有0.1伏到0.2伏的區(qū)別。此外我們還可以計(jì)算容量，容量在140時(shí)只增加了0.1伏，這跟它的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)有關(guān)系。
鎳、鈷、錳的擴(kuò)散不一樣，擴(kuò)散最高的是錳，擴(kuò)散也受倍率問題的影響。從結(jié)構(gòu)和性能的相關(guān)性來看，在532的材料里面，離鎳最近的大概有2.79的距離，占了約50%，所以我們提出問題，在動(dòng)力學(xué)上是不是離鎳最近的鋰先跑掉？我們進(jìn)行了計(jì)算，基本上能夠確認(rèn)，但從時(shí)間上很難測(cè)出到底哪個(gè)鋰先跑出來。
我們也論證研究了表面，我們把材料弄出來通過電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)三元材料最大問題是在第一次充放電過程中會(huì)產(chǎn)生二價(jià)錳，實(shí)際上有一個(gè)100多納米的二價(jià)的錳，如果要實(shí)現(xiàn)三元材料長(zhǎng)時(shí)間的安全性，就一定要防止二價(jià)錳原子暴露在電解液里溶解，一旦溶解就會(huì)產(chǎn)生氧化鎳，這樣就會(huì)一直從表面破壞到里面。我們的包覆材料的好處就是它會(huì)產(chǎn)生一些S2價(jià)膜，所以我們哈佛回來的一個(gè)教授自主搭建了ALD的系統(tǒng)。
我們系統(tǒng)地研究了鋰離子擴(kuò)散的化學(xué)象圖。我們先使用理論計(jì)算，再用電化學(xué)方法進(jìn)行驗(yàn)證。理論技術(shù)的基本思想是要找出一個(gè)比較可靠的擴(kuò)散模型。
我們現(xiàn)在系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)三元材料的三個(gè)元素分配以后，一般從高溫開始到外延產(chǎn)生擴(kuò)散。三元材料的配比變化大概在一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，就是它的擴(kuò)散系數(shù)。理論上鎳的含量越高擴(kuò)散系數(shù)越大，錳的含量越高，擴(kuò)散系數(shù)越小。從溫度系數(shù)方面可以看到42的溫度系數(shù)比其他的要大。
最后講一下我們的電池材料。我們希望跟深圳現(xiàn)有的電池材料企業(yè)進(jìn)行深度合作，他們提出來不太理解的問題，希望通過我們進(jìn)行計(jì)算、測(cè)量等這些基理的研究發(fā)現(xiàn)突破口，實(shí)現(xiàn)幫助產(chǎn)業(yè)化和聯(lián)合產(chǎn)業(yè)化。我們最重要的任務(wù)就是基礎(chǔ)研究，希望可以在新型電池的研究中發(fā)現(xiàn)具有新概念的革命性的材料，這是我們平時(shí)在做的。我們現(xiàn)在的團(tuán)隊(duì)接近100人，包括研究生、工程師、教授、博士后等交叉學(xué)科不同背景的研究人員。
謝謝大家。
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