|
2024年9月1日下午，由四川省人民政府主办、欧阳明高院士工作站承办的2024世界动力电池大会——全球先进电池前瞻技术专题会议于在四川省宜宾市成功召开。会议围绕动力电池材料体系、系统结构、研发升级及下一代技术研判，开展跨学科、跨领域、跨区域的深度交流与对话，打造先进电池科技创新、交流合作、战略引领新高地，推动实现合作共赢的全球动力电池产业发展新格局。加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席、中国科学院大连化学物理研究所研究员陈忠伟以“全球动力电池安全研究进展”为主题发表精彩演讲。
加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席、中国科学院大连化学物理研究所研究员陈忠伟
以下为演讲实录：
陈忠伟：首先特别感谢欧阳院士邀请我到这儿做报告，也特别感谢欧阳院士在固态电池、氢能方面的作用。
今天主要介绍我们过去几年中在燃料电池、耦合电源研究的进展。
背景就不展开了。
“双碳”目标主要是二氧化碳减排，跟国家能源密切相关，国家的能源还是化石能源，煤特别多，石油主要是进口为主，所以这个背景下能源面临着最大的挑战，一是缺口特别大，二是能源安全形势非常严峻，因为我们的石油、天然气主要是进口的。除此之外，“双碳”目标减排，比如环境压力非常大，这个情况下就是要能源革命。
不光是能源革命，与此同时还有工业革命、科技革命，包括刚才鄂维南院士讲的人工智能，鄂院士前面讲的AI for Science，大连化物所我们刘所长正在领衔一个项目，主要用在化工，50个亿国家层面投资的，我相信未来人工智能会舌头到每个方面。
我所在的能源催化转化全国重点实验室，我回来主要是领导这个实验室，跟我们国家的能源布局相关，传统我们国家现有的主要还是化石能源危主，包括化石能源的生产与转化，还有能源的利用，主要是从煤、石油、天然气来的，这个背景下我们要实现双碳目标，就意味着我们要用新能源，比如光伏、风能、水电、核能，怎么很好的利用，我们还有一个新的途径，不光是今天的电池，涉及到储能非常重要，还有氢能，氢能也是新能源利用非常重要的途径。氢能怎么利用起来呢？比如能源生产过程中，我们就把氢输进去，能源一个来自于碳、一个来自于氢，碳氢氧，碳氢的平衡跟空气中的氧，假如把氢能和储能结合进去，能源生产过程中碳就可以降下来。与此同时能源利用过程中，把氢能取代传统的化石能源，比如石油、天然气、煤，排放就降下来了。与此同时另外主要的排放，比如交通工具、建筑、生活，把氢能、储能新能源串起来，整个排放目标就实现了。
在这个大的背景下，我们实验室主要围绕三个应用方案低碳多能融合利用、电化学储能、氢能与多能融合，我们打造的模式是全链条的研发模式，跟高效不太一样，不光是做基础，创新的科研，包括关键技术的开发和应用示范。
我是去年回国的，我们化物所原来动力电池是空白，我又成立了动力电池与系统研究中心，主要想发展下一代动力电池，同时和化物所比较擅长的氢能及其他储能技术进行融合。
我们自己团队经过接近两年时间打造，基本已经完成了人员的组建。包括我们的研发模式，我自己是材料端出身，像今天鄂院士介绍的AI for Science有一部分非常重要的就是材料的研发，材料的研发和制备非常复杂，不光是正负极材料、催化剂、电解液，我们以前做的时候，像老中医一样搞中药配方，缺乏深度的科学性，我相信包括未来随着人工智能的结合，可以更加系统性的研发这个材料。
当然还有一个问题，我们在以前做的过程中发现材料研发的同时往往在电极性能没有完全得到体现，不光是锂电池，电池比如材料的性能好，半电池测出来，全电池不见得好，尤其这个现象在氢能电催化上特别明显，往往可以看到很多文章突破性进展，往往去做的时候发现这个性能完全跟实验室不一样，涉及到电极的制备和系统设计问题，我们始终认为，光做在材料，把材料本身做好的同时，还要把电极、电池、系统设计进行系统化工程的探讨和研发，只有这样材料发展出来真正用起来、跟工业对接起来，这也是我们的目标。我们的研发团队有基础研发团队、工程师开发团队，有博士和研究员。我们除了人员配备，还有终试基地的开发，包括我们自己所在的终试基地，有实验室到终试的完整配套设施。
基础上，谈到电化学能源，两会之后就是新质生产力，比如今天的主题下一代电池特别是固态电池，我们认为电池非常重要，还有跟氢能比如燃料电池的结合也非常关键，这都是电化学能源，对于我们来说，我们认为电化学能源会涉及到两会上提出来的新质生产力，不光是低空经济、新能源汽车、氢能、人工智能，因为人工智能最大的成本也是来自于能源，能源就涉及到怎么高效地利用新能源，电化学能源是其中一个非常重要的交汇点。
电化学能源，从科学角度来说，就是实现化学能跟电能之间高效的相互转化，这个相互转化材料就非常关键，这个材料特别是涉及到比如催化材料，就是反应能垒的调控，能够高效地实现转化，提高效率，这就是电化学能源存储与转化的核心。
举个例子，三个反应涉及到氢能、二氧化碳转化，这三个反应都是他们的核心反应，其实就要涉及到怎么解决关键的科学问题，比如融合实现电催化材料的精准构筑与理性设计，如何实现反应过程的动态调控与化学键出够，就是非常关键的，这也是科学上研究非常重要的问题，我们专门设立了专项来研究这个问题，不光是科学上的问题，工程上的问题其实也是非常关键的。比如怎么解决一致性差、成本高的问题，就涉及到工程上的问题，我们希望从材料到电极、到器件全链条研发，这样才能解决问题。我们刚刚立了一个项，是示范项目。
我们团队，我自己的背景，是02年开始做氢能的，08年开始做锂电，经过10几年、20年的研发，我们在锂电池方面主要聚焦，一是工作温区，二是安全性，三是能量密度。
我们现在对工作温度也非常关注，我们希望电池能够在低温情况下工作、高温情况下工作，特别是低温非常重要，到北方的电动汽车，储能，包括手机上用的电池，在零下二三十度如果能顺利地工作，那样就会比较好，现在的电池往往要加热、保温，效率就下降了。
我们在过去几年中也希望能够解决低温电池的问题。低温电池涉及到核心就是电解液的研发跟界面的操控。电解液就非常关键了，今天我听了鄂院士的报告，包括跟他团队的老师交流过，人工智能怎么去真正设计不同应用场景、不同电池的电解液，高效地开发，对未来整个电池的发展就非常关键。
当然低温电池的研发也不光是电解液，比如电极本身的材料、电极的配方也非常关键，正极材料。
电解液涉及到的组分特别多，特别是现在提到高熵电解液的概念，解决在低温情况下锂离子传导比较困难的问题。低温情况下充放，还涉及到负极问题，负极避免形成锂枝晶，所以负极的改性和调控也是非常关键的。
我们通过这几个，也结合我们自己实验室，因为做实验，一个一个做非常慢，所以我们跟本地自动化企业正在联合开发高通量电解液平台
，高通量电解液平台一次就可以做很多电解液，自动化，这是一个初始的平台，我们希望通过这个平台也能够建立一个大的数据库。因为电解液，比如电池材料的性能，通过发表的文章是一个途径，当然那个文章的数据五花八门，其实更有效的有一个非常重要的，要通过自己高效精准的实验来构建一个很好的数据库，结合人工智能就能实现电解液的高效匹配。
我们的电池现在可以在零下60度，放电容量达到80%，包括我们针对高能量密度已经实现了360Wh/kg，这是硅碳负极和三元材料的匹配，零下40度也可以放电放成80%，我们希望通过这个材料几个方面的结合，能够实现低温电池的突破和未来的应用。
与此同时，安全性能我们也做了一些工作。主要是在隔膜上做工作，我们相信固态电视肯定是未来最重要的解决安全问题的途径，但是固态电池在真正的工业化过程中还是处于大家发力的阶段，因为考虑到成本、制造的困难，所以我们主要希望借助于固态电池的发展方向，利用一些固态电解质，结合现在的隔膜系统，比如我们正在发展聚合物的复合固态电解质。我们为什么选择这个路线？我们觉得成本比较低，比较容易实现真正的应用跟产业化，而且各方面的性能都可以得到体现。当然复合固态电解质也不是全固态，还包括一定的电解液和凝胶态电解质在里面。我们这个工作，我们团队刚刚引进的王小恩（音）研究员，他是从澳大利亚过来的，在越南原来做研发总监，他主要针对凝胶态电解质设计，聚合物的这类电解质正在进行研发，包括供配位凝胶态电解质的设计。这个基础上我们研发了自组装离子传导网络设计，包括含氟镶嵌聚合物，可以高效提升锂离子的传输性能。还有限域离子传导网络设计，主要是不同温度下能不能实现锂离子的高效传输，从而能够适应半固态或者固态电解质的应用。除了这个技术上，我们正在开发的高安全下一代电池隔膜，结合了固态电解质纳米结构，形成复合电极。技术上，结合静电纺丝，通过静电纺丝形成网络，提高电导率和稳定性。
我们现在开发的准固态电解质隔膜已经完成了终试，特别是用在储能电池上，可以极大的提高安全性和循环寿命。技术上，隔膜完成了终试，正在进行工业化应用。
下面介绍我们在发展电池基础上未来实现耦合。耦合就是跟燃料电池的技术相关。
我们团队，我从02年开始做燃料电池的研发，刚开始也是聚焦在催化剂上，慢慢延伸到电极反应界面的构造，再到电堆的应用，我们发现催化剂要跟膜电极催化层的设计进行结合，再跟双极板的流场进行配合，才能真正把电堆的性能发挥出来。氢燃料电池从催化剂开始到现在，也实现了工业化应用，时间关系不深入探讨。
催化剂设计，从形貌、合晶化、载体，三个方面下功夫，我们也实现了宏量制备。
这个基础上，包括膜电极的性能，也达到了最先进的水平，达到了美国能源部2025的标准。
我们现在在化物所也建立了能量电池的仿真优化平台，我们意识到，要实现多学科、多尺度、多过程、多物理场的交叉，才能真正把燃料电池的性能优化出来。
这个基础上，我们正在核心开发的就是氢混动力，我们希望能够把燃料电池跟电池的优势共同发挥，主要是针对比如未来的飞行汽车。我们发展氢混动力主要目的是什么，燃料电池的优点是续航时间长、能量密度更高，燃料加注快，但是功率不行、动态响应慢、效率低，锂电功率比较好，意味着响应快、效率高，但是它的问题，续航时间短、充电时间长。所以我们把这个进行耦合的目的，就是希望能够发展出下一代高比能的电源系统。真正能够应用到不光是现在的长途运输的重卡，还有未来的飞行器上，无人机、飞行汽车上。
无人机现在正在发展，和自动化研究所的飞行汽车团队合作，在开发氢转旋翼，我们的主要目的，就是能够把锂电核燃料电池进行高效的耦合，我们设计了第一代专门针对飞行器高比功率的风冷阴极闭合电堆。
我们自己发展了主动控制与智能控制高效协同的主动控制技术，可以有效提高系统效率。这个基础上安全的飞控系统，我们的目标就是要实现明年年初120kW多模块的集成。
这个基础上，电化学能源目的，现在就是跨尺度、多元化、多学科，特别是未来智能化结合的研发方向，我们希望通过这四个方面的结合，能真正发展出，包括未来的固态电池技术，还有高比能真正下一代的电源技术。
我的报告就到这里。谢谢大家！
（速记未经嘉宾本人确定，请勿原文发布）
|
