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搞好新能源材料,才能发展新能源 | 闭门会回顾

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搞好新能源材料,才能发展新能源 | 闭门会回顾
浏览:95 发布日期:2022-08-01

碳中和离不开可再生能源,但无论风光氢电,还是电池储能,现有技术依然没能尽善尽美。比如被视为“终极能源”的氢燃料电池,贵金属催化剂昂贵、质子交换膜研发门槛高。而锂电池方面,我们都知道全固态锂电池、锂金属负极、锂空气电池等诸多有望大幅提升电池性能的技术路线,但在材料科学问题限制下,我们只能小步快跑,从改良现有电池做起。

这样的背景下,什么样的能源材料最有前景?又有哪些创业公司最值得关注?7月26日,APEC中国工商理事会青年企业家委员会联合果壳硬科技举办“新能源的基石——能源材料底层创新”主题闭门会,邀请材料领域专家和产业伙伴,探讨新能源领域的材料需求与产研进展。因活动信息量较大,本文仅作简要回顾。

材料创新推动电池发展

分享嘉宾:李泓(中国科学院物理研究所研究员)锂离子电池从1991年由SONY公司商业化成功。经过31年的研发,其能量密度已在2022年达到了300Wh/kg,这离不开电池材料的创新和发展。为了让电动汽车续航更长、电动飞机成为现实,电池的能量密度还需要进一步提升。此外,电池的安全性、循环寿命、工作温度范围、充放电功率、成本也需要不断满足日益增长的要求。对应到电池材料上,则意味着正极材料、负极材料、电极极片、粘接剂、导电添加剂、隔膜、电解液、集流体、封装材料以及预锂化、热复合等技术均需要进一步改进。过去30年,液态锂离子电池一直是商业化的主流路线,未来它又要如何满足业界日益提高的应用需求?我们需要材料创新。电池材料的创新有几个趋势:首先是高容量硅负极。目前锂电池常用的人造石墨或者天然石墨等碳负极,其可逆容量只有365 mAh/g,但若用纳米硅碳、氧化亚硅等材料,最高可使复合负极材料可逆容量提升到1000mAh/g以上。我本人也在1997年申请了全球第一个硅纳米负极的专利。我们经过26年的研发,在2017年创办了天目先导电池材料科技有限公司,目前已实现纳米硅碳负极材料的大规模量产,并进入到龙头电池企业的供应链。另一个则是固态电解质。液态锂离子电池自燃事故频发,业界期待尽快用更安全的固态电解质替代前者,也就是固态电池。固态电池有两类,一类是全固态电解质,一类是含有部分液体的混合固液电解质。无论哪一类都有希望支持能量密度更高的正负极、不容易发生跳水式容量衰减、不容易发生内短路和热失控的情况。固态电池还有望引进干法电极、预锂化、固态极片和热复合等新工艺,而这又涉及新的电池材料,并有望推动电池技术革命。不过,固态电池并非十全十美,也要克服界面电阻高、界面接触变差的问题。2016年,我们创办了北京卫蓝新能源科技有限公司,主要生产和研发混合固液电解质电池以及全固态电池。我们在固态电池商业化的过程中发现,单纯无机固态电解质没有液态电解质的可压缩性,很难适应电极材料的反复收缩和膨胀问题。为了克服这个问题,我们原创性地提出了“原位固态化”的想法,并把原来的陶瓷涂层隔膜变成了无机固态电解质涂层隔膜,形成了全新的材料体系。目前,卫蓝新能源开发的360Wh/kg高比能混合固液动力电池正与蔚来汽车合作,即将在今年年底量产装车,并有望在明年开始大规模量产。另外,自1978年起,全球都在研发钠离子电池,但因为一直没有低成本、高容量、循环寿命长的正极材料,产业化进度缓慢。直到中科院物理所胡勇胜团队开发出名为“钠铜铁锰氧”的层状氧化物正极材料,其中都是常见的元素,没有用到钴、镍这种稀缺的金属。也开发了以无烟煤为原料的低成本负极材料,钠离子电池才开始进入产业化阶段。中科院物理所孵化的中科海钠,在2020年制造的钠离子软包电池,容量密度达到了145Wh/kg。圆柱电芯的循环性也超过了6000次,并有很好的快充特性。钠离子电池的充放电速度、低温性能、高温稳定性都显著优于磷酸铁锂电池。此外,由于钠离子电池采用铝箔负极,可以放电至0V还能正常循环,可以使储运过程更安全。因为这些优势,钠离子电池得到了全社会的广泛关注。中国要在2030年碳达峰,在2060年碳中和。实现这一目标的主要技术路径就是支持发展可再生能源、大规模储能、发展电动汽车、智能电网,从而优化我国能源结构,打造以新能源为主体的新型电力系统,推动这一变革的核心就是材料创新以及一系列工程、技术、装备、应用和商业模式的创新。

氢能分布式发电的应用与推广

分享嘉宾:徐真(现任爱德曼氢能源副总裁,曾任凯辉基金董事总经理)氢燃料电池(Fuel Cell)虽然名叫“电池”,但实际上是一个用氢气来发电的发电机。它有很多优势,比如热值高、零排放、反应效率高等,符合“终极能源”的标准。氢燃料电池系统的核心零部件是电堆,主要是由双极板和膜电极组成。目前已经完成国产化的是双极板,国内已经可以制造石墨双极板或者金属双极板。而膜电极又有三个重要材料,一是PEM的质子交换膜,这是反应最核心,也是单个成本最贵的材料;二是气体扩散层,这是由碳纤维无纺布构成的碳纸;三是催化剂,用量少但单价昂贵。目前,在中国燃料电池市场中,99%的主流厂商用的都是进口材料。这也意味着,上述三个材料是燃料电池领域国产化最重要的方向,但好在每一个材料都有四五家国内企业在做前沿研发,预计未来两三年会陆续替代进口材料。国家对于氢能的定位,更多的还是一种能源。从理论上讲,氢能作为二次能源会比在交通上发挥更大的作用,比如氢能的分布式发电。这种发电方式有两个应用场景,一是在有工业产氢的地方,用氢燃料电池取代直接烧氢,能量的转化效率更高,这能替代部分火电厂,一定程度上解决企业的能耗问题;另一个是储能场景,利用不稳定的风光电,通过电解水槽制氢储能。未来,氢储能和锂储能会在不同的应用场景发挥各自优势。氢储能是一种“电到氢再到电”的过程,它有两段设备,一段是“电到氢”的电解水槽,另一端是“氢到电”的燃料电池。有人认为这种模式的整体效率有点低,但实际上,PEM电解水槽每标方的设备成本已经从五万元降到两三万元,碱性电解槽价格更低;而燃料电池系统也从15000元/kW降到5000元/kW甚至更低,从整个环节的成本上看,氢储能很经济。另外,我们以用氢燃料电池做热电联供或者冷热电三联供为例,数据显示燃料电池在电效率、热电比、启动时间等方面都很有优势。比如韩国大山工业园区50兆瓦的燃料电池氢发电厂的发电效率可达50%,该项目仅利用工业副产氢进行发电,除了用于化工园区自身用电外,还能满足周边16万户家庭的用电需求。储氢项目方面,在爱德曼嘉善工厂的厂房顶铺设了光伏板,可以用光电电解水制氢,然后储氢发电。氢能源在交通领域的应用还只是众多应用场景中的一个场景,并且氢能在国内不同地区也有不同的发展可能。比如在三北地区可以用光电储能、沿海地区用风电储能,在工业区可以用工业副产氢发电,把电解水槽和燃料电池两个重要装备利用起来。

纳米超强膜在锂电行业的应用

分享嘉宾:顾其傲(固纳科技创始人兼CEO)大家听到“美国卡脖子”第一反应都是芯片技术,但实际上若按行业来分,中国对于美国技术依赖度最高的是医疗科技,其次是航空发动机,第三就是高分子技术。高分子薄膜材料,虽然很底层、很基础,但是十分重要。高分子膜能应用于多个领域,关键在于调控起化学性质和物理性质。其中化学性质受其化学组成影响,而影响物理性质的因素有膜的膜性(厚度和强度)和孔性(孔隙率和孔径分布)。膜领域有一个“不可能三角”,是指膜的厚度、强度和孔隙率难以同时优化。而固纳科技掌握了从理论底层解决了超高分子量纳米聚乙烯薄膜的制备技术,可以针对不同的应用场景,对膜的相关性能进行定向研发和改造,从一定程度上打破了“不可能三角”的桎梏。总体上说,固纳科技的薄膜有超轻、超薄、超强、高透明等特性——其质量密度只有普通薄膜的1%、厚度下限只有20纳米、比强度是不锈钢的20倍、透光度比光学玻璃还高。此前,大家在做复合材料时都会用金属增强高分子,提高复合材料强度,但是有了纳米超强膜之后,也可以用高分子膜增强金属材料。我们也在实验室储备了一项超强、超薄、超轻的集流体技术,它在具有良好导电性的同时,也有非常好的机械性。纳米聚乙烯薄膜能够用于过滤空气、制备超纯水、促进伤口愈合等,但是该产品的主要应用场景,是作为锂电池的隔膜材料,提高锂电池的能量密度、充电功率和安全性。安全性是锂电池的基石性问题,而高端隔膜作为隔绝正负极的材料,需要具备机械性能强、热管理性能强的特点。我们的隔膜在物化性质上具有更薄、更强、更均匀的特点,这意味这它具有更好的抗颗粒物穿刺性。不仅如此,利用聚乙烯的串晶和片晶两种形态,我们还能实现电池的“闭孔功能”。电池正常运转时,孔处于开启状态,隔膜内阻低;电池过热时,孔会自动关闭,隔绝正负极之间的反应,相当于给电池包安装了一个“热控制开关”,提高电池的安全性。除了机械性能表现优异,纳米聚乙烯薄膜的电学性能也比一般隔膜更好。与传统的25微米薄膜相比,我们采用2~3微米的膜产品,能够提升锂电池15%~20%的能量密度。充电功率方面,厚度更薄的薄膜能够缩短正负极间离子的传输距离,而且我们的膜产品具有“珍珠项链”结构,孔隙率更高,因此更容易被电解液浸润,能够降低离子传输的动力学阻力,提升充放电效率。2021年底,我们已经完成中试,并且在今年年初购买了一条量产产线。

圆桌&观众提问

主持:吴云飞(果壳硬科技投资负责人)吴云飞:很多观点认为,半固态电池只是全固态电池的中间状态,如何看待这种观点?李泓:目前全固态电池的解决方案是丰田在上世纪90年代提出的硫化物全固态电池,如果按照10GWh的产能核算,行业内认为这一技术路线最早也要在2028年才有望实现商业化。全固态电池目前遇到的巨大挑战是室温下容量发挥非常低,能否在短期内解决低温室温下全固态电池正常工作的问题,科学上还没有一个明确的答案。同时硫化物固态电解质成本很高,生产环境和装备要求较为苛刻,需要无人工厂,这些需要在材料制备和电池生产上都要取得重要的突破。而采用氧化物与聚合物的混合固液电解质锂离子动力电池今年年底就开始量产。电池的发展趋势是不断提高能量密度、功率密度与安全性。而通过原位固态化等混合固液解决方案,已经能够支撑电池能量密度和安全性的显著提升。事实上液体电解质的锂离子电池,工业上也有很多进步的空间;混合固液电池(半固态电池)也在向更高能量密度发展。全固态电池将来面临着已经具备高能量密度、高安全性的混合固液电池的竞争,和低温性能优异、成本低廉、技术成熟度高的液态电解质锂离子电池的竞争。因此全固态电池未来能否替代液态锂离子电池与混合固液电解质锂离子电池目前还无法准确回答。电池应用领域巨大,对成本的要求非常高,今天混合固液电池逐渐进入市场,离完全取代液态锂电池还有很远距离,未来液态电解质、混合固液电解质几条技术路线将长期并存。吴云飞:哪些材料的创新可以解决氢能源的成本和大规模应用问题?徐真:目前燃料电池三分之二的成本来自电堆,电堆里双极板和膜电极各占一半。也就是说,膜电极的三个核心材料占整个燃料电池系统的三分之一。这三个材料如果都能国产化,那整个燃料电池系统的成本能够下降接近20%。吴云飞:纳米聚乙烯薄膜打动客户的关键优势是什么?顾其傲:除了强度、轻薄度、内阻性能更好外,固纳科技在稳定生产、良品率方面也有优势。吴云飞:在三位各自的领域中,哪些环节有较大的产业升级机会?李泓:在电池领域,一个方向是固态电池,包括混合固液电池和全固态电池,另一个方向是钠离子电池。固态电池重点满足高端消费电子、长续航电动汽车、电动飞机、电动轮船、注重体积能量密度的高安全规模储能、国家安全、机器人等方面的需求,钠离子电池则满足低速两轮车、启停电源、中短续航电动汽车、通信基站、数据中心、分布式储能、大规模储能的需求。无论哪一个发展方向,都需要大量的材料创新。徐真:刚刚已经讲到了氢能的电化学装备领域三个重要材料的国产化,但是从技术角度上讲,催化剂的低铂化也是我们行业共同探讨的方向。全氟磺酸树脂材质的质子交换膜厚度在越变越薄,这个过程中如何在保证使用寿命的同时提升反应效率也是一个重要突破方向。顾其傲:膜领域产业升级的一个方向是回收,比如前端的基膜的边角料、B品、废品的回收再生产,后端回收也有分类的问题;另一个是降解,但是锂电、氢能产品的使用周期长,用于该领域的高分子材料不适合做降解,但是在家用材料领域,降解也是我们在追求的方向。吴云飞:在材料领域,各位认为未来比较大的推动力有什么?李泓:材料创新的推动力,一个来自于强劲的需求,超越过去的需求会显著拉动从业者开发能解决新的技术挑战的材料;一个是材料研发模式的创新,例如高通量材料计算、制备、测试和大数据分析,能够加快材料开发的速度,提高材料开发的系统性。我们目前正在建立材料正向开发的软件和数据库,借助于信息科学和自动化的进步,会显著推动材料开发的强度、广度、深度和速度。徐真:丰富的应用场景会让材料更加细分;企业对降本的需求会推动材料不断改进;资本市场对于行业也具有重要的指导和资源配置作用,比如最近国家队成立材料相关专项基金,对于培养材料人才、材料科技创新也有很大推动作用。顾其傲:跨学科交叉和底层理论突破也会对材料创新起到推动作用。吴云飞:各位还有什么想跟大家交流的吗?李泓:能源是一个大赛道,跟早期的模式创新、互联网创新理念不同,更强调技术的可持续性。一个团队若有可持续开发能力,其生存能力也更强。另外能源行业是需求导向,注重成本,针对每一个应用场景,技术经济性非常重要,不能盲目追求概念创新,要在产品性能和成本之间找到当时的最佳平衡。建议投资方投此类项目时,按照是否满足国家的战略需求,硬科技高质量发展的内在逻辑和要求去判断企业是否值得长期投入。徐真:新能源是长周期行业,既会经历蓬勃发展,也会面临冷静和洗牌,这个周期不一定与投资机构自己的周期完全匹配。希望大家有10年、20年的耐心和决心。顾其傲:我们给自己的定位是“长期主义的温暖者”,我们也期待有更耐心、更长期陪伴我们的人,一起把这个技术孵化地更成熟。

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