鋅空氣電池和下一代硅鋰電池研究應(yīng)用
時(shí)間:2015-11-13 09:10來(lái)源:中國(guó)電池網(wǎng) 作者:西顧
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大家好，很榮幸能有機(jī)會(huì)到工業(yè)界的論壇來(lái)講一下學(xué)術(shù)方面的問(wèn)題，今天我首先第一個(gè)講一下我們?cè)阡\空氣電池方面的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化方面的問(wèn)題。第二個(gè)，我們做了很多硅基鋰離子電池的應(yīng)用和研究，所以今天也跟大家講一下這方面的研究。
我原來(lái)是在加州大學(xué)上的博士，2008年之后到了滑鐵盧大學(xué)擔(dān)任教授職位，滑鐵盧是在加拿大的滑鐵盧，滑鐵盧離多倫多一個(gè)小時(shí)車程，離紐約七八百公里，到芝加哥也非常近。滑鐵盧大學(xué)在西方是一個(gè)比較年輕的大學(xué)，它是1957年建校。這個(gè)大學(xué)建校有兩個(gè)特色，第一個(gè)特色，它的本科教育是要五年完成的，本科生有兩年必須在企業(yè)或者科研院所進(jìn)行實(shí)習(xí)才能拿到學(xué)士學(xué)位，所以畢業(yè)生最大的好處是企業(yè)非常喜歡，因?yàn)樗榔髽I(yè)需要什么。
然后滑鐵盧還有一個(gè)非常特別的地方，就是我們的專利權(quán)它是屬于教授跟科研人員的，學(xué)校不參與專利的爭(zhēng)奪權(quán)，完全屬于教授。正因?yàn)檫@個(gè)政策，導(dǎo)致了滑鐵盧其實(shí)是加拿大的高科技三角區(qū)，有幾百家高科技創(chuàng)業(yè)公司在那里。特別有一個(gè)東西大家都知道，黑莓手機(jī)，其實(shí)是由滑鐵盧的一個(gè)本科生創(chuàng)辦起來(lái)的，曾經(jīng)輝煌過(guò)，現(xiàn)在不怎么樣了，但是他那個(gè)創(chuàng)業(yè)氛圍還是非常重的。
我是屬于化學(xué)工程跟機(jī)械工程的教授，我們其實(shí)是加拿大最大的工程學(xué)院，也是北美最大的工程學(xué)院之一。我還是屬于納米工程學(xué)院的教授，我們是北美第一個(gè)有本科納米工程的學(xué)校，這個(gè)樓是我們那個(gè)黑莓校友花了1.6億美元捐助建的，里面有最先進(jìn)的納米技術(shù)，納米材料的表征設(shè)備，對(duì)我們電池材料的研究幫助也非常大。
我的課題組主要是做高能材料，高能材料你看這圖上面，能源材料有三個(gè)方面的應(yīng)用，第一個(gè)應(yīng)用是燃料電池，我在美國(guó)加州讀博士的時(shí)候我是做燃料電池的，然后2008年加入滑鐵盧大學(xué)之后，我們同時(shí)開(kāi)始做鋰電池，包括鋰離子電池，還有鈉離子電池，同時(shí)還做了鋅空氣電池的研究。
這是我們?cè)诨F盧的團(tuán)隊(duì)，40個(gè)人左右，我們鋰電池主要是跟通用汽車公司合作。燃料電池主要是跟巴拉德公司合作，其他的一些包括美國(guó)能源部的項(xiàng)目，現(xiàn)在我們有兩個(gè)正在做。
今天首先講一下鋅空氣電池我們最新的進(jìn)展。這個(gè)能源非常重要，大家都知道，特別是鋰電池。主要的應(yīng)用是集中在這幾個(gè)方面，第一個(gè)方面就是交通，還有一個(gè)更大的市場(chǎng)現(xiàn)在正在展開(kāi)，就是新能源的儲(chǔ)備，比如風(fēng)能、太陽(yáng)能，還有跟國(guó)家電網(wǎng)連在一起的大規(guī)模儲(chǔ)能，這是必須解決的問(wèn)題，因?yàn)槲覀円牙娮兂蓛?yōu)質(zhì)電，必須有大規(guī)模的電能儲(chǔ)備。還有可穿戴式電源。
談到電池技術(shù)的話，有幾個(gè)參數(shù)是比較重要的，左上角是能量密度，右上角是功率密度，左下角是壽命，右下角，最重要的一個(gè)，是成本。這四個(gè)參數(shù)決定了你這個(gè)電池能夠適應(yīng)什么樣的市場(chǎng)，能不能占領(lǐng)市場(chǎng)。在現(xiàn)階段的話，特別是電動(dòng)汽車的推廣方面，還有手機(jī)電池，筆記本電腦電池這方面，對(duì)能量密度的要求顯得尤為重要，比功率密度更重要。
所以現(xiàn)在許多學(xué)術(shù)界主要的研究就是怎么進(jìn)一步提高它的能量密度，這是首要任務(wù)。在提到能量密度的同時(shí)，你必須讓這個(gè)電池有足夠長(zhǎng)的壽命，這是非常關(guān)鍵的。然后還有成本，這幾個(gè)因素基本上缺一不可。
提到能源非常重要，我們就來(lái)談一下為什么我們當(dāng)初選擇了鋅空氣電池，鋅空電池，金屬空氣電池，現(xiàn)在主要有兩個(gè)研究方向，一個(gè)就是鋅空電池，還有很多學(xué)術(shù)界集中在鋰空電池的研究上。為什么大家鋅空電池和鋰空電池很興趣呢？因?yàn)樗哪芰棵芏缺容^高。正因?yàn)槟芰棵芏忍貏e高，所以特別關(guān)注，大家都認(rèn)為這是下一代的電池技術(shù)。
我們看一下七年前，2009年的時(shí)候，我開(kāi)始做金屬空氣電池，我們做了一個(gè)分析，為什么需要做鋅空呢，看這個(gè)表格，我們有不同的金屬包括氫氣，這些能量密度都非常高。但是比如像煤鋁，還有鐵，由于它的化學(xué)特性，決定了它不可能，就排除掉了。就剩下鋅跟鋰，如果比較它的體積能量密度，鋅比較高，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。所以基于這個(gè)考慮，我們當(dāng)時(shí)想覺(jué)得鋅也是很好的。
比較鋰空跟鋅空，鋅空更加趨向于現(xiàn)實(shí)，因?yàn)槭袌?chǎng)上注氫，紐扣電池都是用鋅空電池，它能量密度高，但是這個(gè)是一次性技術(shù)，它是鋰離子的兩到三倍可以做到。也就是說(shuō)在市場(chǎng)上已經(jīng)可行，只是不能充放。還有比較鋰電池？它活性比較高，你用的時(shí)候會(huì)增加材料上的許多麻煩，這是很難克服的。正因?yàn)橛捎谶@個(gè)，我們當(dāng)初決定做鋅空電池而不是鋰空電池。
我們總結(jié)一下鋅空電池電池的優(yōu)勢(shì)，第一，它能量密度比較高，理論上是五倍，現(xiàn)在市場(chǎng)上可以做到兩到三倍一次性的話。還有其魯教授提到，鉛酸電池污染非常大，但是鋅空電池基本上沒(méi)有什么污染，它對(duì)環(huán)境非常友好。而且沒(méi)有危險(xiǎn)，用水箱電解，這是它的一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)。
還有就是材料非常便宜，跟鋰比。還有鋅的全球儲(chǔ)量是非常大的，即使以后大規(guī)模應(yīng)用的時(shí)候，它價(jià)格不會(huì)波動(dòng)。
接下來(lái)看一下鋅空，既然這么好，看一下工作機(jī)理，現(xiàn)在所有的電化學(xué)能源都是非常簡(jiǎn)單的，鋅空是燃料電池跟電池的結(jié)合體，它的工作機(jī)理很簡(jiǎn)單，現(xiàn)在這個(gè)是放電，放電的反應(yīng)是什么反應(yīng)呢？我們叫它氧還原反應(yīng)，它是放電的狀態(tài)，氧氣變成水，這是放電。當(dāng)然了，還有充電，點(diǎn)就是把它倒過(guò)來(lái)，倒過(guò)來(lái)就是變成氧氣跟水，提供電，這就是充電。氧氣反應(yīng)跟傳統(tǒng)的是不一樣的，這個(gè)氧氣反應(yīng)是非常緩慢的反應(yīng)，我們?yōu)榱思铀偎姆磻?yīng)，就必須有一種很好的催化劑來(lái)提升它反應(yīng)的速度，提高它的效率。所以鋅空電池的第一個(gè)挑戰(zhàn)，可充放，你必須尋找或者發(fā)明一種活性非常高，又非常穩(wěn)定的催化劑，能夠讓這個(gè)反應(yīng)盡快地進(jìn)行。
也就是鋅空電池的第一個(gè)挑戰(zhàn)，我們必須解決的問(wèn)題，就是氧氣電解催化劑怎么解決？鋅空充放過(guò)程中，它氧氣反應(yīng)，比如充電的時(shí)候電位比較高，但是催化劑中往往有許多碳，容易發(fā)生腐蝕，鋅空的可充放電池一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的其中一個(gè)原因，這個(gè)問(wèn)題必須解決。
還有一個(gè)更大的問(wèn)題，是鋅資金的問(wèn)題。基于這兩個(gè)問(wèn)題，根據(jù)我們自身的研究，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的氧氣催化劑，來(lái)適合于反應(yīng)的進(jìn)行，我們?cè)O(shè)計(jì)這個(gè)氧化劑是處于納米工程的考慮，我們?cè)?010年的時(shí)候，成功地開(kāi)發(fā)了雙功能催化劑，它是怎么做的呢？我們先做成金屬氧化物的半攙雜的納米化，這個(gè)催化劑的好處，由于這兩種材料的有機(jī)結(jié)合，你能夠顯示很高的活性，它的氧催化活性比鉑還高。在充電的時(shí)候它的活性和穩(wěn)定性也非常高。
看一下我們的結(jié)果，我們發(fā)展出來(lái)的催化劑非常穩(wěn)定，而且性能也很好。比較一下藍(lán)色和紅色，藍(lán)線是鉑，鉑是白金催化劑，白金催化劑初始的催化性能不錯(cuò)，但是它的穩(wěn)定性能差。還有一種稀有金屬它的穩(wěn)定性也不行，我們這種催化性穩(wěn)定性很好，活性也很好。
然后看一下電池的充放，左下圖是三千個(gè)循環(huán)，基本上沒(méi)有什么衰退�？匆幌掠疑蠄D，是一千小時(shí)，基本上也沒(méi)有什么變化。有這個(gè)結(jié)果之后，當(dāng)時(shí)我們就認(rèn)為，我們基本上第一次解決了雙功能催化劑在鋅空電池上的應(yīng)用，所以這個(gè)問(wèn)題解決了。
所以接下來(lái)的問(wèn)題，我們同時(shí)做三維電極結(jié)構(gòu)的催化劑，這個(gè)也非常穩(wěn)定，這是我們正在開(kāi)發(fā)的。
還有就是第二個(gè)最大的挑戰(zhàn)，是鋅資金，怎么解決它的問(wèn)題呢？把鋅電極做成多孔電極，為什么做成多孔電極呢？?jī)蓚�(gè)原因，一個(gè)我們做成多孔電極之后，因?yàn)樗谋缺砻娣e高，它的能量密度會(huì)很高。第二個(gè)，形成這些孔之后，我們希望鋅資金不要一下跑到表面上來(lái)，把電池穿刺了，往孔里長(zhǎng)。所以這個(gè)方法初始階段是比較有效的，但是這個(gè)方法還是沒(méi)有解決鋅資金的問(wèn)題。
然后我們有一系列的專利，這個(gè)是模塊化，全部是集裝箱型的，而且我們有很好的設(shè)計(jì)思路，跟傳統(tǒng)市場(chǎng)上所有的鋅空電池設(shè)計(jì)是完全不一樣的，而且我們認(rèn)為我們真正地解決了這兩個(gè)問(wèn)題，市場(chǎng)上其他的許多鋅空電池的公司是機(jī)械式更換芯片來(lái)實(shí)行充換。當(dāng)然鋅空電池有一個(gè)很大的缺陷，它的能量密度下來(lái)了，所以我們市場(chǎng)就不一樣，我們針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能市場(chǎng)，因?yàn)樗鼘?duì)成本的要求高，對(duì)能量的要求沒(méi)有那么高。
看最后一個(gè)表，十年的使用成本，我們可以做到4到8分錢每千瓦時(shí)，價(jià)格是最低的。我們針對(duì)的市場(chǎng)是什么呢？看這個(gè)報(bào)告，2014年全球的電池市場(chǎng)1600億美元，將近1萬(wàn)億人民幣。根據(jù)預(yù)計(jì)，在2020年的時(shí)候，應(yīng)該能達(dá)到3200億美元，為什么呢？大規(guī)模儲(chǔ)能它的共性會(huì)非常大，現(xiàn)在所有的風(fēng)能、太陽(yáng)能必須有電池的儲(chǔ)備在那里。所以這個(gè)市場(chǎng)的增長(zhǎng)是非常大的，對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能電池的要求，需求量以后會(huì)非常大。
我們主要是針對(duì)這個(gè)市場(chǎng)，當(dāng)然了，我們并不是說(shuō)放棄了原來(lái)的思路，因?yàn)槲覀冊(cè)瓉?lái)是準(zhǔn)備用在動(dòng)力電池上，利用鋅空的高能量密度，所以我們也繼續(xù)投入力量，想辦法解決鋅資金的問(wèn)題，如果能解決，可以取代很大一部分的動(dòng)力電池的市場(chǎng)，這是我們以后的目標(biāo)。
接下來(lái)講一下硅基鋰離子電池的發(fā)展，上個(gè)星期剛剛接到一個(gè)通知，叫我們?nèi)ト虬俅罂萍吉?jiǎng)，我們的拍檔去了，我沒(méi)辦法去了。我們硅基鋰離子電池實(shí)現(xiàn)了什么東西呢？比如硅，其魯教授已經(jīng)提過(guò)，這個(gè)硅材料很好，為什么呢？因?yàn)樗哪芰棵芏确浅８�，硅可以達(dá)到4200，現(xiàn)在碳材料是372，也就是理論上可以達(dá)到10倍以上。好東西絕對(duì)有缺陷，什么缺陷呢？它充放過(guò)程中，體積收縮變化非常大，電極很容易崩潰。
怎么維持電極的穩(wěn)定性？提高電池的壽命，這就是硅材料必須解決的問(wèn)題。我們要給它做一個(gè)籠子，把這個(gè)硅放在籠子里面，讓它不要到處亂串，電極讓它不要變形，那樣電極穩(wěn)定，電池壽命就好了，這是我們的思路。當(dāng)然這個(gè)我們結(jié)合了其魯教授介紹的石墨烯，也就是我們實(shí)驗(yàn)室自己形成了很完善的制備工藝，我們有自己的石墨烯制備辦法，還做了硫攙雜石墨烯，當(dāng)然了石墨烯只是作為一個(gè)輔助材料，不是主要材料。
經(jīng)過(guò)這個(gè)工藝，把它混漿之后，進(jìn)行一定的低溫處理，我們可以在電極的初始容量3.5毫安的情況下，第一圈的循環(huán)效率是86%，這是文章上的數(shù)據(jù)，可以循環(huán)壽命達(dá)到2000個(gè)循環(huán)以上，這個(gè)是我們的貢獻(xiàn)，就相當(dāng)于真正地達(dá)到了可以跟正極材料匹配的硅電極，利用這個(gè)硅電極可以把負(fù)極變薄了。如果你進(jìn)行這個(gè)核算，我們滑鐵盧2015年8月份利用硅電極制備的電池能量密度可以提高40%。所以我們最終要達(dá)到提高60%，這是我們的目標(biāo)。
這是我們最近對(duì)我們這個(gè)技術(shù)全世界的報(bào)道，謝謝大家！
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