¿La batería de litio golpeó el techo?

El 1 de marzo, los cuatro ministerios y comisiones emitieron el Plan de Acción para el Desarrollo de la Industria de Baterías de Energía de Automóviles, que establecía requisitos claros para el rendimiento de la batería, la capacidad de producción, la seguridad, los materiales y el equipo. Ante la perspectiva de 100.000 millones de vatios-hora de desarrollo a gran escala, ¿cómo debería afrontar la industria las nuevas tecnologías "interminables"?

El periodista entrevistó recientemente a Nan Ceven, académico de la Academia de Ciencias de China y decano del Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Tsinghua. Él cree que las baterías de litio de estado sólido mejorarán en gran medida la seguridad y el rendimiento, pero antes de la industrialización, todavía es necesario mejorar continuamente. Hay tecnologías. En el futuro, con el descubrimiento continuo de nuevos materiales, la tecnología de baterías de litio y el espacio de desarrollo de la industria es infinito.

La "llave de oro" para resolver problemas de seguridad

Periodista: En 2017, con la rápida expansión de los vehículos eléctricos, la seguridad ha recibido una atención sin precedentes. ¿Cuál cree que es la ventaja de las baterías de iones de litio totalmente sólidas sobre las baterías de iones de litio tradicionales?

Nan Cewen: En términos simples, la batería de iones de litio tradicional es una estructura en la que los polos positivo y negativo están separados por el diafragma y se vierten en el electrolito orgánico. Los fluidos electrolíticos son propensos a filtrarse, especialmente cuando están en cortocircuito o sobrecargados por polos positivos y negativos, lo que conducirá a un rápido aumento de temperatura, evaporación y descomposición de electrolitos, lo que resultará en una gran cantidad de gas, lo que provocará problemas de seguridad en la batería e incluso provocar explosiones por combustión de la batería.

Las baterías de litio completamente sólidas utilizan electrolitos completamente sólidos para realizar un efecto dos en uno, reemplazando el diafragma y el electrolito en las baterías tradicionales para resolver problemas de seguridad. Al mismo tiempo, con el uso de electrolitos totalmente sólidos, el litio metálico se puede usar como electrodo negativo para aumentar la densidad de energía.

La seguridad es la clave y la base del desarrollo industrial y también se relaciona con la supervivencia de la industria de las baterías. La densidad energética es el núcleo de la investigación y el desarrollo de la industria y la perspectiva de desarrollo de la industria. Desde el punto de vista de la resolución de problemas de seguridad y el uso de materiales existentes para aumentar la densidad de energía, se puede esperar que las baterías de litio totalmente sólidas satisfagan las necesidades del desarrollo industrial y merezcan ser desarrolladas enérgicamente.

Periodista: Basándonos en la tecnología existente, ¿podemos resolver mejor el problema de seguridad?

Nan Cewen: Hay una variedad de herramientas técnicas disponibles para mejorar la seguridad de las baterías de iones de litio, como el sistema de gestión de baterías (BMS). Sin embargo, BMS es un medio de "gobernanza", y el "tratamiento" también debe comenzar con el material de la batería. Entre ellos, el uso de diafragma cerámico es una buena dirección para mejorar la seguridad de las baterías de iones de litio. Es sobre el sustrato del diafragma que se aplica una capa de recubrimiento de partículas de nano cerámica (Al2O3) para aumentar la resistencia mecánica y la resistencia al calor del diafragma, reduciendo la posibilidad de cortocircuito directo de los polos positivo y negativo, mejorando así seguridad. El producto de diafragma cerámico de nueva generación es un diafragma de recubrimiento de fibra nano cerámica (producción de energía Jiangsu Qingtao), que tiene mejor resistencia al calor y otras propiedades y es más efectivo para mejorar la seguridad de las baterías de iones de litio. El producto de segunda generación es un diafragma recubierto de fibra cerámica activa. El uso de fibras de electrolitos cerámicos, además de mejorar la seguridad, también aumentará la tasa de conducción de los iones de litio, mejorando así el rendimiento de la batería al duplicar. La idea general es mejorar la seguridad de las baterías de iones de litio existentes a través del diafragma cerámico y desarrollarlo gradualmente para reemplazar el diafragma y los electrolitos con electrolitos totalmente sólidos para resolver completamente el problema de seguridad.

Periodista: Entonces, los electrolitos totalmente sólidos se pueden llamar la "llave de oro" para resolver la seguridad de la batería. Según el diseño industrial actual y la situación de I + D, ¿qué tipo de estrategia de desarrollo debería elegir la industria?

Nan Cewen: En la actualidad, Bolloré en Francia, Sakti3 en los Estados Unidos y Toyota en Japón representan las direcciones de investigación y desarrollo de tres electrolitos sólidos principales: polímeros, óxidos y sulfuros. De hecho, la combinación de varios métodos también es una forma de pensar. Por ejemplo, combinando materiales inorgánicos con materiales orgánicos, el principio general es probar entre múltiples soluciones. La estrategia de desarrollo más probable en el futuro es hacer una transición lenta y reducir gradualmente la cantidad de electrolitos, por ejemplo, del 20% al 30%, al 5% al 10%, o incluso 0, y desarrollar gradualmente de semisólido a todo. sólido.

Aunque el tipo actual de baterías totalmente sólidas está "lejos de hidrolizarse hasta alcanzar la sed" y aún no es posible lograr la industrialización, antes de eso, la industria ha estado mejorando continuamente las tecnologías existentes y mejorando gradualmente la seguridad y la densidad energética de las baterías existentes. . Por ejemplo, mejore la proporción de material existente, mejore el rendimiento de los electrolitos, el sistema de gestión de la batería (BMS), etc.

Investigación e industrialización: del 1% al 100%

Entrevistador: ¿Cuáles son sus expectativas para la industrialización de las baterías de iones de litio totalmente sólidas?

Nan Cewen: para la industrialización, la formulación doméstica generalmente se logra para 2020 ~ 2025, y algunos expertos han propuesto luchar por la industrialización dentro de cinco años. Ese objetivo solo será posible si trabajamos juntos. Por supuesto, también depende del grado y la escala de los estándares de industrialización. Por ejemplo, se informa que el objetivo de BMW no es anunciar una agenda de comercialización para 2028, pero ha invertido mucho antes en baterías totalmente sólidas y ha estado trabajando duro.

Entrevistador: ¿En qué áreas se utilizarán las baterías de iones de litio totalmente sólidas en el futuro?

Nan Cewen: las baterías totalmente sólidas se utilizan actualmente en industrias especiales como la aeroespacial y la atención médica que tienen requisitos de seguridad absolutos. El futuro tiene buenas perspectivas en los campos de la energía y el almacenamiento de energía.

Periodista: Como nueva tecnología, las baterías de iones de litio totalmente sólidas inevitablemente tendrán problemas como tecnología inmadura y alto costo. ¿Cómo evalúa la opinión de que el alto costo es el mayor cuello de botella en su industrialización?

Nan Cewen: batería de iones de litio totalmente sólida que duplica el rendimiento general bajo y otros problemas, son problemas de ciencia y tecnología, deben resolverse lentamente. El costo no es el mayor cuello de botella. De hecho, cualquier nueva tecnología o producto nuevo acaba de comenzar a salir y el costo es mayor. Una vez que la tecnología de producción está madura y la producción aumenta, el costo naturalmente bajará. Por lo tanto, el costo es un asunto que debe resolver la industria, no un problema que la comunidad académica pueda resolver.

Al mismo tiempo, el objetivo de la investigación de laboratorio y la industrialización no es el mismo. Al investigar para buscar la posibilidad y la viabilidad del 1%, puede encontrar nuevos materiales a través de la innovación continua de prueba y error, siempre que haya una posibilidad, incluso el 1% puede serlo; La industria persigue el 99% o incluso el 100% de confiabilidad y consistencia. No puede ser pobre y debe considerarse en todos los aspectos. Por lo tanto, es necesario cambiar entre un 1% y un 99% o incluso un 100%. En el medio, hay un puente y un proceso de transformación. Es necesario perfeccionar gradualmente desde el laboratorio y la prueba intermedia y luego agrandar y madurar para lograr un control completo.

Desarrollo sin "techo"

Periodista: El avance de la batería química depende de la innovación de la tecnología de materiales. Desde este punto de vista, ¿cómo evalúa la dirección del desarrollo de las baterías de litio totalmente sólidas?

Nan Cewen: a diferencia de la mayoría de las personas, las baterías de iones de litio no son lo mismo que los componentes electrónicos ordinarios. En realidad, son sistemas complejos. Por ejemplo, los polos positivo y negativo están compuestos por una variedad de materiales, y los electrolitos y las membranas también son una variedad de mezclas.

Las baterías totalmente sólidas parecen simples, pero son complicadas. Por ejemplo, la capa positiva de una batería de iones de litio líquida contiene una variedad de componentes tales como una sustancia activa polar positiva, un agente conductor, un electrolito y un aglutinante. Si se reemplaza con un electrolito completamente sólido, debido a que no hay infiltración electrolítica en la capa positiva, la combinación de componentes será compleja. Hacer baterías de iones de litio líquidas es como mezclar cemento con arena en el suelo. Agregar agua puede producir piedras, arena y cemento, pero en las baterías totalmente sólidas, no hay material líquido involucrado. Cómo resolver el problema de la interfaz entre materiales sólidos y sólidos y garantizar la actividad de sustancias eficaces es un gran desafío.

Periodista: ¿Qué tipo de patrón de evolución pensaría usted desde el fosfato de hierro y litio, ternario, ternario con alto contenido de níquel hasta una batería totalmente sólida?

Nan Cewen: La densidad de energía de una sola batería debe alcanzar los 300 vatios / kg y no es difícil desarrollar nuevos productos en el sistema tecnológico existente. Una vez más de 400 a 500 vatios / kg, se necesitan nuevos avances. Técnicamente hablando, la ruta de la evolución se basa en el tiempo, pero las baterías en diferentes niveles de tecnología no son relaciones mortales y tal vez patrones coexistentes. Esto significa que no es la aparición de una nueva generación de baterías lo que eliminará por completo a otras baterías. Puede ser un proceso gradual de alternancia y también puede coexistir durante mucho tiempo.

En el caso de las baterías de plomo-ácido, aunque su densidad energética es baja y su contaminación es grande, hasta ahora las baterías de plomo-ácido no han sido completamente reemplazadas por baterías de iones de litio y se han desarrollado bien. La razón es que su costo es bajo, su seguridad es buena y ha resuelto problemas como el reciclaje y el reciclaje, por lo que ha estado conviviendo con baterías de iones de litio. Las diferentes baterías tienen diferentes características y existen en diferentes campos de aplicación adecuados para ellas.

Periodista: En lo que respecta a la densidad de energía, como elemento que ocupa el tercer lugar en la tabla periódica, las baterías de metal de litio pueden alcanzar teóricamente 700 vatios / kg. ¿Es este el límite de almacenamiento de energía de la batería?

Nan Cewen: Ciertamente, este no es el límite. La densidad de energía de la batería debe considerar tanto materiales positivos como negativos. Si se encuentra nuevo material positivo, la densidad de energía de la batería aumentará si la capacidad y el voltaje son mucho más altos que los tres yuanes o el material existente. Los límites de las baterías de litio, o de los techos, no son técnicamente visibles, al menos por el momento. Si desea determinar el límite relativo, como una batería de litio-aire que es más de un orden de magnitud más alta que la densidad de energía actual de la batería de iones de litio, puede imaginarse como el límite (la densidad de energía teórica es de aproximadamente 3500 vatios / kg), pero 700 vatios / kg no es el límite.

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