上海硅酸盐研究所能源材料研究中心主任温兆银:钠电池技术新突破
发?#38469;?#38388;:2018-04-02 14:31:00

上海硅酸盐研究所能源材料研究中心主任温兆银:钠电池技术新突破


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  4月2-4日,“储能国际峰会暨展览会2018(ESIE 2018)”在北京国家会议中心举行。上海硅酸盐研究所能源材料研究中心主任温兆银在主题论坛上做演讲。以下是演讲内容:


  上海硅酸盐研究所能源材料研究中心主任 温兆银:


    我今天的演讲包括这么几个方面的内容。首先特别想回顾去年在北京国际储能大赛上,也有创新大赛top10?#38048;?#36873;,其中我们实验室研制成功的陶瓷电解质固态锂电池,用陶瓷作为制密陶瓷作为隔膜,?#34892;?#30340;解决了锂硫电池穿梭效益。可以制备大尺寸的固态电池,可以实现可靠运行,进入创新典范top10,回顾这个,一方面感觉储能大赛的重要性,而且今年我看了,昨天在评选储能大赛的top10,大家报名非常踊跃,而且大家的技术也是在不断的进展,大家非常重视,在国际上都有影响力?#38048;?#36873;。


    在这里我们可以看到陶瓷电解质在我们电池中间起到的关键的作用,解决了锂硫电池中间在液体电解质里面不能克服的穿梭效应,这是我想回顾这个事情的目的。钠电池中间有两种电池就用了陶瓷电解质,而且是在储能领域里面发展的特别快,而且有了非常有影响力的应用的两个电池,一个钠硫电池,和钠氯化物电池,这张表我们列出了几种钠电池的技术,对他们进行了主要性能的比较,钠硫电池和钠氯化物电池他们用了陶瓷电解?#39318;?#20026;隔膜,他们比能量都比较高,甚至可以高到150到200瓦时每公斤。这样两个电池,虽然目前已经进入了规模化应用,比如说钠硫电池,刚才?#37096;?#21040;NGK市场总监也在场,应该说钠硫电池,我把它比喻成就像现在在游泳比赛一样,在全世界那么多运动员都在齐头并进的时候,确实?#24515;?#20040;一个钠硫电池确实非常领先。而且在其他众多的运动员面前了表现了非常强有力的竞争力,钠氯化物电池和钠硫电池相比有优秀的地方,突出的地方是它的安全性特别高,随着锂离子电池不断走向应用,资源的问题越来越突出,关于钠离子的研究,跟锂离子电池在平行的开展,而且可以说是方兴未艾。


    另外包括钠空气等等,这样一些新型的电池,总体来说现在大家都在开发过程中间,离真正的规模化的储能应用还有距离。这是钠硫电池和钠氯化物电池结构的特征,正因为这两个电池都已经取得了比较成功的应用,所以我想把这个结构简单介绍以下。这两个电池的共同点就是陶瓷电解?#39318;?#20026;隔膜。在这个中间,他们共同点采用的管形的设计把它作成陶瓷管,?#30416;?#20204;的活性物?#39318;?#21040;电池的管内管外,这样经过各种组合以后,就形成了我们的单体电池,正是因为跟刚才的锂硫电池,我们用了锂离子的隔膜,因为有了钠离子的隔膜,让我们的电池中间不存在任何其他的可能的副反应。这两个电池不同的地方一个是钠和硫,生成硫化钠的反应,还?#24515;?#21644;氯化镍,生成氯化钠和镍的反应。这是简单的反应过程。首先在正常工作的区域,它会有一个比较平稳的工作区间,这个电池还有这样一个反应,非常安全,还有一个特点过充和过放的时候?#30452;?#20986;现另外一个平台,这两个平台有一定的可逆性,而且非常的安全,这样一个电池?#24515;?#36807;充耐过放的特点,整个这个电池是非常安全的体系,包括它的运行过程也都非常安全。


    所以,以美国GE公司他们研发的电池,在很多方面都获得了应用。特别是他们研制了这个电池,在英国劳斯莱斯制造的载人潜艇?#35828;?#21040;了应用,这是动力电池的技术,正是因为它有高度的安全性,用到了载人的水下航行器。目前包括GE公司他们发展的基础已经有了50兆瓦储能应用的业绩。


    在美国也有一个预测,在未来的十年中间,锂离子电池,液硫电池,还包括钠氯化物电池,未来储能电池中间认为是前三位的储能技术。2017年1月18号美国GE公司和我们国家电池产能最大的超威公?#31454;?#20316;,在中国实现钠氯化物电池产业化。应该是一个非常有影响力的系?#22330;?/p>


    刚才包括钠电池,钠硫电池也好,钠氯化物电池也好,他们的核心材料,陶瓷,整个的制作过程非常的复杂。这样一个过程他?#21069;?#25324;了成型的技术,到陶瓷的技术,正因为这样一个核心材料是氯酸钠的体系,给这样一个材料的制造带来了非常大的困难,需要很多特殊的技术跟它匹配。最后我们还有很多电池部件需要进行组合,我们获得这样一个电池体系,这个是我们设计的电池的结构,我们目前采用圆形的结构设计,这是50安时的电池设计,包括GE公司他们采用方形结构设计,他们的目的也是为了增大反应的比表面,我们采用圆形的设计,为我们的大容量,高比表面电池体系奠定了基础。所以我们目前设计的电池的容量在50到200安时,这个也是方形电池比较难以实现的。


    管形设计跟燃料电池类似的还有平板设计的结构,在座的杨教授他们原来对这个教授进行了很多的研究工作。


    钠电池在市场的表现非常好,钠硫电池。我们钠氯化物电池?#37096;?#22987;走向应用,一方面因为钠资源在电池中间的应用,使成本得到很大的降低。我们来看看我们中国和国外相比,我们在钠电池这块?#23545;?#33853;后,这是最大的差别。我们在这几年的工作中间对钠氯化物电池进行了技术突破,概括为这几个方面,一个大容量化低成本,储能电池跟动力电池不一样,我们需要单体电池,而且大容量,低成本,所以我们研制了一套低成本组合技术,这个应该说对我们的电池制造的成本的大幅度下降起到了非常核心的作用。再一个高稳定性,自修复技术,这个电极跟钠硫电池不一样的时候,运行过程中间有不稳定的界面,同时有颗粒的变化,所以需要进行修?#30784;?#20302;阻抗电极技术,目前这样一个技术专门在建立示范产业县。


    钠硫电池正极的稳定性和它在运行过程中间内部的物质的长大直接相关,正因为有这样一些固体物质的长大,使这个反应动力学过程在不断的缓慢。而且颗粒长大的过程使离子扩散收到影响,反应也同?#21271;?#36825;个阻止,所以我们对这样一个电极进行设计。这是我们通过电池在线形成硫化镍的过程,在镍颗粒的表面,我们通过在线生成硫化镍,同时利用硫和镍在线的生成,来弥补在运行过程中间可能形成的保护膜?#38048;?#35010;,通过这样一个改善。我们来看看在纳米层的修饰,我们使稳定性得到了非常大的提高,没?#34892;?#39280;的时候,我们通过控制电池的条件,非常快的衰减。通过修饰可以?#39038;?#30340;稳定性得到大幅度的提高。


    这是电极的技术。另外镍在电池中间起到传导网络的作用,所以,用什么样的镍在电池中间非常重要,现在商业化的镍,都以有一定的连续性的颗粒的镍为原材料,我们通过借助于磁场作用形成的这种丝状的,使得三维的过程中间形成的碳包覆,使稳定性得到了非常大的提高,因为这这样一个体系,我们看看电池内阻的稳定性,如果没有这种设计,它的阻抗会快速的增长。


    利用这样一个形成的体系,我们看看电池性能得到了大幅度的稳定的提高,这是我们改善以后的电池性能。如果采用普通的镍,它的稳定性会是这样子的。这样一个设计,我们目前直接应用在电池中间。


    另外一个界面,它是一个固体电解质的体系,同时它在我们反应过程中间有少量的固体物质在电极中间。所以它会有一个高的阻抗,甚至有不均匀的界面,所以我们要对这样一个界面进行改善。我们设计的很多的技术路线,其中一种技术路线就是用我们均匀的导电涂层,使我们表面,甚至内部的不均匀化在表面得到改善。我们有代表性的工作就是多孔镍的修饰,如果没有这样一个修饰金属钠几乎不能在陶瓷表面,经过多孔的修饰以后我们的润饰性得到了改变,有了改变,使电池电流特性得到极大的改善提高。这个是电池工作特性的情况,因为这样一个改善,我们消除了它的非对称极化,同时使密度得到?#34892;?#30340;提高。


    我们也和国外一些电池性能进行比较,通过稳定性的比较,我们部?#31181;?#26631;甚至超过国外产品的性能。


    50AH的技术已经成立上海奥能瑞拉新能源股份有限公司。我们预计在今年年底我们会有正式的电池产品会形成。我们也期望这个技术能够早日得到应用或者示范应用。我给大家简单介绍了钠氯化物的情况。钠系电池从根本上解决锂电池资源问题,钠氯化物电池是一种安全性极高的电池体系,可满足特殊动力应用的需求,通过电池和界面技术,为电池的改?#30772;?#21040;了实质性的作用,我们现在正在向示范产业推进,我的报告给大家简单介绍到这儿。?#34892;?#22823;家!


稿件来源: 电池中国网
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