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中南大学教授李新海:动力与储能电池发展机会与挑战
来源:起点锂电大数据 发布时间:2019-04-17

4月17日下午,在江西上饶举行的江西星盈科技投产仪式暨2019中国新能源企业家高峰论坛上,中国有色金属学会冶金物理化学学术委员会副主任委员、湖南省化学化工学会常务理事、《电池》期刊编委、出版专著《化学电源》的中南大学教授李新海先生,给与会嘉宾带来《动力与储能电池发展机会与挑战——创新驱动》的主题演讲。

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以下为现场速记实录:

感谢给这么一个机会在这里和各位探讨“动力与储能电池发展机会与挑战”,感觉干院士给我们指明了方向,特别在储能材料领域里面。我本人其实也是学冶金出生,为什么做电池材料,实际上这一类器件最终都是由材料演变过去的,我曾经做集成电路,大概在1990年前后,最后走到这个方向,跟大家一起探讨一下。

首先因为我来自中南大学,所以先把中南大学的情况做一个介绍。冶金往材料里面过渡过来的,早期做的物理化学里面有电化学,有电解,包括低温的、常温的等等。到了新能源领域,我们讲的化石能源的危机,还有移动式能源。我们也知道环境的污染,特别在城市里面汽车尾气带来的污染是无序的排放,如果能够发展成电动可能是有序的。每次讲到电动汽车的时候,很多人讲电可能也要消耗煤碳,我们做冶金的知道火力发电是集中排放和处理,从这个角度能够达标排放。讲到移动式能源里面除了石油以外,最有效就是电力。

基于这种方向,进入了国家战略性新兴产业领域,包括新能源、新材料、新能源汽车、节能环保。中南大学本身涉及到这一块的内容包括化学电源,各种电池,其实我们从最早期的铅酸电池开始,用过早期的一次性干电池,我们也有物理电源,包括光电池、电容器等等。习主席一直提倡“绿水青山”,我们做产业,做核心的人在绿水青山的基础上怎么打通“金山银山”,就需要我们技术的进步来实现这样一个目标。首先建立在物理、化学、材料学的基础学科的基础上,更重要的是需要结合到技术和工程知识。我经常强调,可能早期把电池知识当成电子元器件的时候,从这个角度把冶金反应工程等等用上来,整个就起来了。

刚刚讲到一个是锂离子电池,一个是燃料电池,实现能源、电源的移动化,包括移动电池。在我们上饶光电池领域里面非常有特色,更重要考虑到怎么配套储能。整个学科的演变从早期冶金工程,包括有色金属冶金、冶金物理化学、钢铁冶金、冶金环境工程等等这个基础上到材料冶金和新能源材料与器件,特别讲到材料冶金的时候,原来早期对结构材料能理解从冶金到材料的过渡,功能材料的时候把它叫做材料化冶金,在冶金过程当中用化学的方法直接到材料,这个带来一个最大的好处是对材料化学组成和控制,这样一个基础上,实现性能有效控制。我始终做一系列电池材料的时候关注这样的思想,做成技术的时候才能够有竞争力。

我们非常注重技术的研发和产业化,从冶金到正负极材料到电池。做电池说到底是怎么用好材料,围绕电池这样一个方向来做,也取得一系列应用成果。我们培养了一系列的人才,包括研发、产业化的等等。

第二个讲一下创新驱动,现在再谈特斯拉,谈丰田汽车,感觉到已经没有悬念的东西。但是在十年前、二十年前的时候,所有的人只要一谈到电动汽车,特别跟大车厂谈的时候,他们都说等电池好了再做电动汽车。我讲我们从创新和产业化的角度看,关键有一点就是谁做第一。特斯拉做到了。为什么他能做到?很重要一点就是敢于孵化创新创业型的企业,现在讲到的集成电路已经到了几个拉米的技术,大概十五、二十年前带学生到美国做研究的时候,那个时候集成电路还是零点几微米,然后到零点零几微米,我一个学生能够从微米到纳米,实现这个以后创业机构、投资机构,包括政权机构,投资全来了。

刚出去特斯拉的时候,谁赢谁输说不清,但是有一点,属于来自于资本市场的推动,所以我们国家讲到石墨烯的时候,负面一点过多概念炒作,但是有优势感觉到很高兴的一点,从学术到产业,到投资,到政府这样一些机构共同推进它的产业化。所以反过来从这个角度看,中国在这个领域走到前面去了。

讲到创新模式的时候,站在高校和研究机构、实验室的时候,我们讲到组成材料结构、形式来讨论。但是站在一个产业的时候,怎么实现一个综合型的创新,就像早期做电动汽车的时候,我们想到的,到目前还有很多人在想的电动汽车取代燃油车,特斯拉开辟了一个新的领域,把新技术用上去。所以从这个角度来讲,应该是完全与传统目标相反,但是我考虑用户的体验,只要用户能够接受就可以。

我曾经跟一位很有名的教授谈到锂离子电池和电池材料产业化的时候,他首先承认中南大学做得好,但是他说你们是胆子大,还没有成熟就做产业化。什么是叫成熟,刚出手机的时候那么一个大块头,通一个小时的电话都不到,里面储存只有10个号码,而且不能写号码,就是写序号,刚出来的摩托罗拉手机那不叫存储。所以我认为我们技术创新以后,应该对产业,对市场的颠覆要满足的是用户的体验。那么这种体验真正做到变成产品,这个时候不要为技术感到高兴,要看客户满意了没有,客户愿意接受了没有,客户接受的那一天就是你现阶段技术成熟的一天。所以从这个角度来说,在这个时候要忘掉技术,我是做产业,我是做孵化,我是做产品,要面向用户的。

再看看特斯拉创新在哪里,他确实有很多的创新,原来很多车厂给自己找借口不做电动汽车的时候,集成创新在哪里?原来所有人说没有电池就不能造车,他的思想是,现阶段最好的电池是什么?笔记本电脑的电池就用它。最好的充电桩、轮胎、网络、软件、倒车拔片等等他都用最好的那个,除了本身核心技术以外,他的装备水平,而且装备水平里面看到很多的创新,原来就想过我们传统的烘干,大家想到就是用电,平常化学用蒸汽,就考虑到蒸汽烘干,这个太好了,这就是节能。我们讲到在产品,在制造领域要变成集成式的创新,材料的选择、配方、电解液的组成等等也是创新,但是作为一个电子产品的时候怎么变成集成创新。

我们尽管想到排放问题,排放只是其中一块,我只能这么讲,我所有场合特别跟政府部门讲我们火力发电,也会有二氧化硫排放,但是一定是集中式的排放,它的二氧化硫可以收集起来制成硫酸,二氧化碳可以作为原料来使用。但是每一台车排放的二氧化碳,有二氧化硫的时候,没有办法被收集。第二点更重要的把所有存在的能源统一为一种移动式的能源,那就是电源。同时,原来认为太阳能、风能都是取之不尽,现在资源利用率越来越高,为了提高利用率的时候最有效的方法就是站在大规模蓄能的角度,包括各种新能源的蓄能,包括电力的利用率的蓄能,自身调控能力非常有限。其实我们在工业领域里面,实际上用电大户的储能,关注到一些民营企业里面铝电一体化,不排除其他用电企业很可能会实现热电汽一体化,这个按照传统模式投入太大,小型的发电加上蒸汽加上储能,很可能发电、蓄电、供电、蓄热一体化解决。

我们看看在化学储能这个领域里面,最核心其实除了安全性以外就是经济性,一瓦斯小于1块钱可能就有竞争力,但是我一直在想到的是怎么比现有的铅酸电池便宜。同时,要强调的一点是能量的转换效率,能量的利用率。最后就说每运行一次,这里面有几项,一个是电价,初期投资、循环成本,这是最核心的经济指标。这么多储能领域里面,为什么最终体现化学储能,因为移动、便捷、免维护、分散式。

铅酸电池不断有人在做研发以及不断地进步,我跟有些企业讨论他始终认为未来铅酸电池的竞争力超过锂离子电池,特别在储能领域里面。他提出的概念我铅酸电池的回收简单,循环再生很简单,我也在想如果我用锂离子储能的时候,跟铅酸电池比是怎么样,另外一个投资人就想了你回收虽然铅便宜,用镍、汞很贵,但是他支持使用周期,回收后来可以理解为租用一个产品,就是一个循环的概念,我听完以后感觉很好。

这里包括镍氢电池用在动力领域的时候,也有包括讲的液流电池的储能,我们想象的是非常好,开汽车的时候现在是加汽油,但是这确实很好,但是最致命的是能量密度低,工作电流密度低,第二个体系运营成本较高。能量密度低到什么时候,这么大的储能体,再有这么小的太阳能电板,储电量很低。用在电动汽车上像加汽油一样加氢,我觉得这是唯一的好处,但是我们要宣传的是别人总是说氢燃料电池排放水,如果用免维护的这个电池是没有排放。第二个特别关注的一点是氢燃料电池,现在讲的能量转换效率,可以达到60%。

我们一定要想到一点是氢是一个储能介质,不是像汽油和柴油、煤油一样是原生态的能源,通过消耗某一种能源得到的。刚刚讲到锂离子电池,优势就不讲了,但是看到一个最大的好处是持续创新理论空间很大。还有制造水平、经济性等等,在冶金、石墨里面有石墨工厂,产能10万吨、20万吨、30万吨,再去看看现在的工厂5000吨、1万吨、3万吨已经很大了,这就给我们一个标杆,有持续的降低成本的机会和空间。

这子因为政府工作报告出来以后,特别讲到了推动充电、加氢设施的建设。大家一下想到加氢以后,是不是锂离子电池马上被燃料电池取代掉了,我们也要看到第一句首先是推动,所以这是国家在不同的阶段用不同的方法引导,我们说现在真正锂离子电动汽车到这个程度,最核心的尽管希望密度可以提的更高,续航能力更强,如果要想到四五十年前有一台小轿车要开长途的时候,随意在路边能加汽油吗,一定车上会带汽油桶,现在没有人带,到处都是加油站。体现了分步建设的过程,同时关注到燃料电池电动汽车实际上在1990年到2000年之间,在世界上形成第三次对氢燃料电池的产业化过程,并不是只有丰田有,有现代、奔驰、宝马等等。

讲的比较清楚一点奔驰讲到走的时间也是深程度,以氢氧燃料作为发动机的纯电动汽车。我们看到丰田车里面,有28度电,这还是一个增程式的,跟锂电、充电同时去驱动马达。我们未来也是配合使用,最近在产业界、投资界有些时候不太了解觉得锂电过时了。再看看本田的车,虽然没有找到电池容量是多少,但是根据续航能力和提供氢气的量,里面也同样加了一套锂离子电池组实现这整个过程。再找到现代汽车,也是两个气罐加上燃料电池组,从这个角度来说是相互组成,也是变成增程式电动汽车里面的一种。

至于未来怎么发展,站在中国政府的角度,我们在纯电动汽车领域里面能够快速进入市场,从这里使纯电动汽车得到普及。所以我们讲不是谁唱主角或者丰田能不能赌赢或者赌输的问题,而是对参与者和消费者多了一个选择的过程。这里面包括阴极、阳极的材料,包括电池的结构等等,氢气要把它全部反应完,到后面量很少的时候,反应速度又是非常有限的,所以它的功率相对来说也是影响的因素。同时,燃料电池从另外一个角度,丰田站在他们的角度不是新技术,因为最早已经用在AIP潜艇里面了,现在我们制造技术已经逐步实现,由于在海洋运输的时候为了提高氢氧转化效率,它的氧不像在城市里面有二氧化碳、二氧化硫、水蒸气、粉尘或者是氮氧化物等等。

同时,我们要关注的一点是早期是丰田垄断的,但是他不太看好锂离子电池,在锂离子电池没有垄断,但是在燃料电池领域垄断到丰田一家占到全世界的61%以上,如果把日本其他企业加起来差不多达到80%。我们做技术研究的,我们做研发的人赶快怎么来实现一个超越,在他原来的基础上怎么形成自己的知识产权。比如一个充电的5号电池,要么给飞利浦,要么过美国的那家公司交专利费,我们想燃料电池到了某个阶段要收专利费,我讲到这些问题都是我们做研发和产业的人怎么去思考。

从这个角度来讲,每一个国家都要有布局,中国政府已经在做这个事儿,我觉得非常好。大家原来认为丰田早期赌镍氢电池输了,燃料电池能不能赢,实际上技术是持续推进的。所以很高兴地讲燃料电池在中国已经开始试水,真是非常好的事情。现阶段还是坚持的锂离子电池对应的各种形式的电动汽车还是可以持续的发展,我们国家做氢燃料电池也是中远期的战略,所以从另外一个角度来看,德国三大汽车巨头研究方向是以汽车电动化为主,他的讲话很有内涵,他把研发的终点放在电动汽车。

第二个燃料电池也在研发,只是最近十年不是他的主流产品。我认为在从300-350这个速度比较快,比较看得见,负极、正极、电解池、电压这几个东西已经做得比较好,现在正在评估的是可靠性怎么样,见到宁德时代的时候原来准备跟日本学,现在他走到第一,还跟谁学,要准备创新。这里想到燃料电池是增程式,其实电动汽车接下来在增程式领域里面有一个很大的作用,因为我们国家原来电动汽车的补贴增程式早期不补贴,后来补贴比较小,现在也比较小,一旦市场化有用户选择的时候机会来了。

我大概在2005年前后跟德国博士交流的时候,当时他两件事情给了我很大的启发,一个是他的电动角度,觉得纯电动有一部分市场份额,第二增程式电动要做。第二个关于电池的外形到底是软包装,还是金属方形,按照他们的设计应该是金属方形。现在也不能说一定哪样好,至少看到两个标志性的企业,宁德时代和比亚迪是选择铝壳方形电池,但是不是说不能做软包装。这个锂电池少可以少到只有几度电,完全是功率调节器和能量回收器,多可以多到30度电、50度电,跑200公里、300公里、500公里。今年春节的时候媒体抱怨最多的就是除了充电以外,就是冬天电池不好用了,续航能力降一半。但是我当时跟德国交流,他们车上是配0.25排量的很小的增程式,首先可以提供一点电量,更重要冬天的热能全部来了。我们讲技术创新的时候,还有产品创新,在满足用户体验上的创新。

我们做电池的,我们做材料的,我觉得应该有一个互动。我们一直认为丰田普锐斯销售是最好的,但是日本日产一个Note e-Power超过了他,做到了既节能,又是纯电驱动,这就是给了我们一种启发。

回想一下国内外的目标,早期美国定的目标2000年的目标,2010年的目标,能量密度80-100到200。日本当时定的目标,到2010年、2015年、2020年普遍也差不多了。到2030年的时候,达到500Wh/kg。这是我们国家自己提出的一些标准,也在不断地突破,应该说实际上产业技术远远速度非常快。实际上我们也要考虑到其他的隔膜、铝塑膜、铜箔、铝箔等,还有很多思路和方法,所以应该有一个快速的提升过程。我们又在讲阳极用什么,阴极用什么,在这个基础上分布怎么样。

同时把这个合成条件在不断地改变,提到正极材料合成的时候特别想到一点,我们做材料研究会考虑到组成结构性能,由于我做冶金出生,我一直想到从实验室很小到最早做蒸汽材料的时候,我想冶金窑炉里面的制造技术怎么用到材料制备里面。现在本身重量差不多,2.8公斤或者3公斤,虽然内容有一点差异,从加热的角度,无用的热量有3公斤的物质加热到高温再冷却下来,高效加工材料只有2.5公斤这是很耗能的过程。

负极材料,这个过程是石墨材料,还有其他一些材料,现阶段我们想硅的容量也足够的高。在这样一个基础上,原来以碳组成,现在以硅碳,这个靠充电过程当中带进去,如果哪一天做到这个制备材料就带进去了就上去了,所以应该给我们足够的空间。刚刚讲的有正极、负极的,其实还是电解液和电解质的概念,这是非常重要。

最后一点,其他的包括材料,包括集流体和壳体,我们最早用不锈钢,很厚、很重、很贵,现在用到铝壳,我们想一下易拉罐是一个增压的,能够耐压,很薄,我觉得这是一个值得我们探讨的。最后一个电池设计与制造,我想把化学反应工程关于传热和流体传递,包括电场传递设计里面,有效用到动力电池,包括大型的储能电池领域里面,现在不讲材料,不管怎么小是很小型的,早期只是当做电池元器件,现在把它当成一个储能介质,我想如果到了真正大规模储能的时候怎么变成一个储能的工厂。这个角度在电池的设计和制造领域应该还有非常大的潜力可以操作。

我就讲到这里,谢谢!

责编:刘苗苗




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