Nan Cewen: la batería de litio todavía tiene mucho espacio para el desarrollo

El 1 de marzo de 2017, los cuatro ministerios y comisiones emitieron el Plan de acción para promover el desarrollo de la industria de baterías automotrices, que establece requisitos claros para el rendimiento, la capacidad, la seguridad, los materiales y el equipo de las baterías. Frente a los pasos agigantados de 100 mil millones de vatios, ¿cómo puede la industria enfrentar la nueva tecnología que emerge en una corriente interminable? Este artículo entrevistó recientemente a Nan Cewen, académico de la Academia de Ciencias de China y decano del Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Tsinghua. Las baterías de litio de estado sólido mejorarán en gran medida la seguridad y el rendimiento, pero antes de la industrialización, todavía existe la necesidad de actualizar continuamente las tecnologías existentes. 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 solucionar problemas de seguridad

Energy Review: En 2017, con la rápida expansión de la escala de vehículos eléctricos, los problemas de seguridad han recibido una atención sin precedentes. ¿Cuál cree que es la ventaja de una batería de litio totalmente sólida en comparación con una batería de litio convencional?

Nan Cewen: En términos simples, la batería de iones de litio tradicional es una estructura en la que los electrodos positivo y negativo están separados por un diafragma y se vierten en un electrolito orgánico. El electrolito es fácil de filtrar, especialmente cuando se encuentra con un cortocircuito o una sobrecarga de los electrodos positivos y negativos, lo que hará que la temperatura aumente rápidamente, el electrolito se evaporará y descompondrá y se generará una gran cantidad de gas, lo que causar problemas de seguridad de la batería e incluso hacer que la batería se queme y explote.

La batería de litio completamente de estado sólido utiliza el electrolito completamente sólido para lograr una función dos en uno, reemplazando el diafragma y el electrolito en la batería tradicional para resolver el problema de seguridad. Al mismo tiempo, después de usar un electrolito completamente sólido, se puede usar litio metálico como electrodo negativo para aumentar la densidad de energía.

El tema de la seguridad es la clave y la base del desarrollo de la industria, y también los fundamentos de la supervivencia de la industria de las baterías; La densidad energética es un elemento central de la investigación y el desarrollo de la industria y las perspectivas de desarrollo de la industria. Desde la perspectiva de resolver problemas de seguridad y utilizar materiales existentes para mejorar la densidad de energía, se puede esperar que las baterías de litio totalmente de estado sólido satisfagan las necesidades del desarrollo industrial y merezcan un desarrollo vigoroso.

Energy Review: Basándonos en la tecnología existente, ¿podemos resolver mejor los problemas de seguridad?

Nan Cewen: Hay una variedad de técnicas disponibles para mejorar la seguridad de las baterías de iones de litio, como los sistemas de administración de baterías (BMS). Sin embargo, BMS es un medio de "tratar los síntomas", y la "regla de gobierno" 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. Está recubierto con una capa de partículas nanocerámicas (Al2O3) en el sustrato del separador, lo que aumenta la resistencia mecánica y la contracción térmica del separador, y reduce la posibilidad de cortocircuito directo entre los electrodos positivo y negativo, por lo que mejorar la seguridad. El producto de diafragma cerámico de nueva generación es un diafragma recubierto de fibra nano cerámica (producido por Jiangsu Qingtao Energy), que tiene una mejor resistencia al calor y es más efectivo para mejorar la seguridad de las baterías de iones de litio. La segunda generación de productos es un diafragma recubierto de fibra cerámica activa. El uso de fibras de electrolitos cerámicos, además de mejorar la seguridad, también aumenta la velocidad de conducción de iones de litio, mejorando así el rendimiento de la velocidad de la batería. La idea general es mejorar la seguridad de las baterías de iones de litio existentes a través de diafragmas de cerámica y desarrollar gradualmente para reemplazar el diafragma y el electrolito con electrolitos totalmente sólidos para resolver completamente el problema de seguridad.

"Energy Review": de esta manera, los electrolitos totalmente sólidos pueden denominarse la "llave de oro" para resolver la seguridad de la batería. Con base en el diseño industrial actual y la investigación y el desarrollo, ¿qué tipo de estrategia de desarrollo cree que debería elegir la industria?

Nan Cewen: En la actualidad, Bolloré de Francia, Sakti3 de Estados Unidos y Toyota de Japón representan la dirección típica de investigación y desarrollo de tres electrolitos sólidos de polímeros, óxidos y sulfuros. De hecho, la combinación de varios métodos también es una idea. Por ejemplo, combinando materiales inorgánicos con materiales orgánicos, el principio general es probar en medio de múltiples esquemas. La estrategia de desarrollo más probable en el futuro es hacer una transición lenta y reducir gradualmente la cantidad de electrolito, por ejemplo, de 20% a 30% a 5% a 10%, o incluso 0, de semisólido a completamente sólido.

Aunque el tipo de batería de estado sólido actual “no está lejos de tener sed”, todavía no está industrializado. Sin embargo, antes de esto, la industria ha estado mejorando continuamente la tecnología existente para mejorar gradualmente la seguridad y la densidad de energía de las baterías existentes, como la mejora. Proporciones de materiales existentes, rendimiento mejorado de electrolitos, sistemas de gestión de baterías (BMS) y más.

Investigación científica e industrialización: del 1% al 100%

Energy Review: ¿Cuáles son sus expectativas para la agenda de industrialización de las baterías de iones de litio de estado sólido?

Nan Cewen: Para la industrialización, la formulación doméstica generalmente se logra entre 2020 y 2025, y algunos expertos han propuesto luchar por la industrialización dentro de cinco años. Este objetivo requiere que todos trabajen juntos para hacerlo posible. Por supuesto, también depende de los estándares de industrialización, y en qué medida y en gran escala. Por ejemplo, se informa que el objetivo de la empresa alemana BMW es que para 2028, Toyota de Japón no haya anunciado un calendario de comercialización, pero ha invertido mucho antes en el campo de las baterías totalmente de estado sólido y se ha trabajando duro.

Energy Review: En el futuro, ¿en qué áreas se utilizarán las baterías de iones de litio de estado sólido?

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

"Energy Review": como nueva tecnología, las baterías de litio totalmente de estado sólido inevitablemente tendrán problemas como tecnología insuficiente y alto costo. ¿Cómo evalúa la opinión de que el alto costo es el mayor cuello de botella de su industrialización?

Nan Cewen: El rendimiento general de baja tasa de las baterías de litio de estado sólido es un problema científico y técnico que debe resolverse lentamente. El problema de los costos no es el mayor cuello de botella. De hecho, cualquier nueva tecnología y nuevos productos son costosos al principio. Una vez que la tecnología de producción está madura y la producción aumenta, el costo puede descender naturalmente. Por lo tanto, el costo lo resuelve la industria, no el problema que el mundo académico puede resolver. .

Al mismo tiempo, los objetivos perseguidos por la investigación de laboratorio y la industrialización son diferentes. Investigando 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 exista la posibilidad, incluso el 1% puede ser la industria busca una confiabilidad y consistencia del 99% o incluso del 100%. La sexualidad, no está nada mal, y todos los aspectos deben ser considerados cuidadosamente, por lo que para cambiar el 1% al 99% o incluso al 100%, todavía se necesita un puente y un proceso de transformación, que debe mejorarse gradualmente desde el laboratorio. y el piloto. Luego acerca el zoom y madura para lograr un control total.

Desarrollo sin "techo"

Energy Review: Un gran avance en baterías químicas, que se basa en la innovación en tecnología de materiales. Desde esta perspectiva, ¿cómo evalúa la dirección de la I + D en las baterías de litio totalmente de estado sólido?

Nan Cewen: A diferencia de la gente común, las baterías de iones de litio no son lo mismo que los componentes electrónicos comunes. En realidad, son un sistema muy complicado. Por ejemplo, el electrodo positivo y el electrodo negativo son materiales compuestos de varios materiales, y el electrolito y el separador también pueden ser una mezcla de varios tipos.

Las baterías de estado sólido parecen simples, pero también son muy complicadas. Por ejemplo, la capa de electrodo positivo de una batería de iones de litio líquido contiene una pluralidad de componentes tales como un material activo de electrodo positivo, un agente conductor, una solución de electrolito, un aglutinante y similares, y si se reemplaza con un todo- electrolito sólido, dado que no hay penetración de electrolito en la capa de electrodo positivo, varios componentes El problema de las combinaciones coincidentes puede ser complicado. Hacer baterías de iones de litio líquidas es como si estuviéramos mezclando arena con cemento. Agregar agua puede reconciliar piedras, arena y cemento, pero no hay ninguna sustancia líquida involucrada en la batería completamente sólida, cómo resolver el problema de la interfaz entre los materiales sólidos y sólidos y garantizar la actividad de sustancias efectivas, el desafío es grande.

"Energy Review": ¿Qué tipo de patrón evolutivo crees que será la ruta técnica de las baterías de fosfato de hierro y litio, ternarias, con alto contenido de níquel y de estado sólido?

Nan Cewen: La densidad de energía de una sola batería debería alcanzar los 300 vatios-hora / kg y no es difícil desarrollar nuevos productos en el sistema de tecnología existente una vez que supere los 400-500 vatios-hora / kg, se necesitan nuevos avances, técnicamente , la ruta evolutiva se lleva a cabo según el tiempo, pero las baterías de diferentes niveles de habilidad no son una relación entre tú y los vivos, y pueden ser un patrón de convivencia y simbiosis. Esto significa que después de una nueva generación de baterías, otras baterías se eliminarán por completo, lo que puede ser un proceso gradual, y también puede coexistir durante mucho tiempo. Tomando como ejemplo las baterías de plomo-ácido, aunque la densidad de energía es baja y la 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 muy bien. La razón es que el costo es bajo, la seguridad está bien y los problemas de reciclaje y reciclaje están mejor resueltos, 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. Energy Review: en lo que respecta a la densidad de energía, ya que un elemento clasificado en tercer lugar en la tabla periódica, las baterías de metal de litio pueden alcanzar teóricamente 700 vatios-hora / kg ¿es el límite de almacenamiento de energía de la batería?

Nan Cewen: Ciertamente, este no es el límite. La densidad de energía de la batería requiere una consideración exhaustiva de los materiales positivos y negativos. Si se encuentra un nuevo material de electrodo positivo, la capacidad específica y el voltaje son mucho más altos que los materiales ternarios o existentes, y la densidad de energía de la batería también aumenta. Los límites de las baterías de litio, o techos, al menos no son técnicamente visibles en la actualidad. Si tiene que determinar los límites relativos, como una batería de iones de litio que es más de un orden de magnitud mayor 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). horas / kg), pero 700 vatios-hora / kg no es un límite.

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