6月20日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦的第十一屆“中國國際電池技術(shù)交流會”在深圳會展中心開幕。本次交流會以“動力電池和儲能電池”為主題，重點關(guān)注了電池應(yīng)用領(lǐng)域。全球50多位電池業(yè)界頂級專家亮相交流會并發(fā)表了主題演講，來自50多個國家和地區(qū)的800多名行業(yè)專家、學(xué)者和企業(yè)家與會。圖為來自北京大學(xué)的潘鋒教授在CIBF2014中國國際電池技術(shù)交流會上發(fā)表主題演講。

　　潘鋒：
　　我今天的報告主要包括三個部分。第一部分，介紹一下北京大學(xué)的新材料學(xué)院；第二部分，基于我們電池設(shè)計的基礎(chǔ)來論述三元材料的基理；第三部分，與大家分享三元材料的全面理論分析和計算。
　　應(yīng)市長市政府的邀請，希望北大支持深圳的新材料和新能源的發(fā)展，所以三年前北京大學(xué)在深圳研究生院成立了新材料學(xué)院。主要聚焦清潔能源材料，特別是電池，我們大概80%的力量集中在研究電池材料的改進(jìn)，以及下一代電池的概念、材料和體系的發(fā)展。
　　我們模仿國外大公司的做法，對新材料，特別是電池新材料進(jìn)行研發(fā)，包括材料的設(shè)計、可控制備評測新材料，以及產(chǎn)業(yè)化的維度。我們在深圳的特色是面向產(chǎn)業(yè)，跟北大的本部有所區(qū)別。
　　我們最近建了一個工業(yè)研究院模式，有模擬計算、可控設(shè)備及基礎(chǔ)團(tuán)隊的建設(shè)，所以我們想建設(shè)一個從材料評測一直到電池評測的系統(tǒng)。我們目前處于建設(shè)材料的初步階段，并自建了ALD，從原位可以看SAS，對電池的電化學(xué)的測量以及工程的測量。
　　深圳的動力電池發(fā)展迅速，也是動力電池產(chǎn)業(yè)聚集地，坪山13公里將建立成一個新工業(yè)基地，所以我們在這個地方成立了工業(yè)研究院，對深圳市的動力電池產(chǎn)業(yè)和電動汽車起技術(shù)支撐和服務(wù)作用。基于這些，我們聯(lián)合深圳的八家企業(yè)拿到了一個創(chuàng)新工程，其中一個重要的項目是到2015年實現(xiàn)150Wh 及180Wh每公斤的電池組，我們是其中的技術(shù)支撐單位。目前的材料來看，能夠符合要求的只有三元材料和三元改性材料，因此我們對三元材料的基理有了更深刻的認(rèn)識。任何一個三元材料球狀是由大概200納米構(gòu)成的小顆粒，如果做成電極在電鏡下觀察會看到有些碳黑被覆蓋了，有些碳黑沒有被覆蓋，加一些碳管后可以把顆粒跟顆粒連接，把極化性能降低一些。我們設(shè)想如果這個大顆粒，像我們在一個地方針灸一樣，三元材料就可能會引起一些相變，從而引發(fā)電池安全性問題。高電壓情況下也會引發(fā)相變。如果將三元材料不是點接觸，而是像繩子一樣連起來大面積接觸，然后把這些碳管網(wǎng)起來，會看到在這上面會形成小顆粒與小顆粒之間的連接，然后大顆粒和大顆粒連接，導(dǎo)致的結(jié)果是電阻的阻抗降低兩個數(shù)量級，這種情況下如果把電壓提高到4.8伏，真正讓電池顆粒感受到的電壓和實際加的電壓基本相等，在這種情況下它的釋放電可以達(dá)到250伏左右。所以這時可以把電池真正的容量很好的釋放，減少相變。
　　我們發(fā)現(xiàn)高電壓到450以后，碳管也可以作為活性物質(zhì)。大家都在想怎樣提高電池的活性，所以我們還做了倍率性能實驗，大概15%左右，這時看C-V曲線，有很多峰疊加在一起，這是顆粒界面的不均衡造成的，加了碳管后，電壓從3.7伏左右開始升高，而后面是一個緩慢的過程。我們在將三元材料極化后，可以看到它的動力學(xué)行為。
　　我們有較強(qiáng)的團(tuán)隊做材料基因組計劃，現(xiàn)在深圳市政府超算中心給我們1500個核，我們自己買了500個核，所以我們有2000個核的計算。所有的三元材料，實際上在3.8伏到3.9伏之間，只有0.1伏到0.2伏的區(qū)別。此外我們還可以計算容量，容量在140時只增加了0.1伏，這跟它的熱力學(xué)和動力學(xué)有關(guān)系。
　　鎳、鈷、錳的擴(kuò)散不一樣，擴(kuò)散最高的是錳，擴(kuò)散也受倍率問題的影響。從結(jié)構(gòu)和性能的相關(guān)性來看，在532的材料里面，離鎳最近的大概有2.79的距離，占了約50%，所以我們提出問題，在動力學(xué)上是不是離鎳最近的鋰先跑掉？我們進(jìn)行了計算，基本上能夠確認(rèn)，但從時間上很難測出到底哪個鋰先跑出來。
　　我們也論證研究了表面，我們把材料弄出來通過電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)三元材料最大問題是在第一次充放電過程中會產(chǎn)生二價錳，實際上有一個100多納米的二價的錳，如果要實現(xiàn)三元材料長時間的安全性，就一定要防止二價錳原子暴露在電解液里溶解，一旦溶解就會產(chǎn)生氧化鎳，這樣就會一直從表面破壞到里面。我們的包覆材料的好處就是它會產(chǎn)生一些S2價膜，所以我們哈佛回來的一個教授自主搭建了ALD的系統(tǒng)。
　　我們系統(tǒng)地研究了鋰離子擴(kuò)散的化學(xué)象圖。我們先使用理論計算，再用電化學(xué)方法進(jìn)行驗證。理論技術(shù)的基本思想是要找出一個比較可靠的擴(kuò)散模型。
　　我們現(xiàn)在系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)三元材料的三個元素分配以后，一般從高溫開始到外延產(chǎn)生擴(kuò)散。三元材料的配比變化大概在一個數(shù)量級左右，就是它的擴(kuò)散系數(shù)。理論上鎳的含量越高擴(kuò)散系數(shù)越大，錳的含量越高，擴(kuò)散系數(shù)越小。從溫度系數(shù)方面可以看到42的溫度系數(shù)比其他的要大。
　　最后講一下我們的電池材料。我們希望跟深圳現(xiàn)有的電池材料企業(yè)進(jìn)行深度合作，他們提出來不太理解的問題，希望通過我們進(jìn)行計算、測量等這些基理的研究發(fā)現(xiàn)突破口，實現(xiàn)幫助產(chǎn)業(yè)化和聯(lián)合產(chǎn)業(yè)化。我們最重要的任務(wù)就是基礎(chǔ)研究，希望可以在新型電池的研究中發(fā)現(xiàn)具有新概念的革命性的材料，這是我們平時在做的。我們現(xiàn)在的團(tuán)隊接近100人，包括研究生、工程師、教授、博士后等交叉學(xué)科不同背景的研究人員。
　　謝謝大家。
 

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