Enevate副总裁George Chen：不必一味极端追求能量密度

发布于：2018/6/29 8:56:35 | 564 次阅读

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　　2018年6月27日，由青海省人民政府、工业和信息化部、科学技术部、中国电动汽车百人会主办的“2018中国(青海)锂产业与动力电池国际高峰论坛”在青海省西宁市召开。
　　本次会议由一个高峰论坛和三个主题峰会组成，在关于“促进动力电池安全的前言技术与保障体系”主题峰会上，主要研讨了动力电池安全体系评估;提高电池系统整体设计的合理性;同意规划整个电池系统的安全防护;电池产品和检测;大数据推动电池智能化管理，提升安全保障;新体系动力电池研发现状及安全挑战;产业政策对电池安全的保障。
　　Envate电池公司联合创始人、副总裁George Chen发表主题演讲，内容实录如下：
　　谢谢大家。既然今天第三峰会的主题是促进动力电池安全的发展，所以我就想从这个方面来引出，刚才王芳老师讲过，有四种不同的角度、不同层面来改善提高安全，个是从材料层面做起，我们今天就从化学材料方面来阐述一下我们做了些什么技术创新。我这里所指的所谓化学材料就是以硅作为主导的负极。我顺便纠正一下，今天可能有人说负极要么是石墨碳，要么是硅碳，其实是错的，以业界的习惯来说，百分比多的那个元素一定要放在前面，既然要说也只能说碳硅，不能说硅碳。因为今天的做法是在石墨碳里面加少量的硅作为添加剂，硅的成分不会超过10%。我们是用完全不一样的做法，我们的负极几乎是纯硅的。一会儿简单介绍一下我们是怎么做成的。由于做成以硅为主导的负极有两个方面的优势，一是从而从根本基础上解决了最关键的安全隐患-析锂，我们的硅负极不会产生析锂，从而不会造成锂枝晶，这是直接对安全的贡献。第二是间接对安全的贡献，有了这个硅负极带来很多优势，包括增加能量密度同时可以超快速充电，这样给所有的同仁，包括做电芯的和做电动车的厂商，提供了一个全新的设计概念，设计电池和电车的时候可以有更全面的综合考量，把加强安全因素提高到更高的层面来。
　　这么多年来有很多因素和壁垒造成大家不愿意买电动车。林林总总，侧重先后不一。但据我所知，自从今年1月份百人会开过大会以后，所有我参加过的的国际会议，基本上都归纳成这样一个次序(里程焦虑和充电不便时间太长，价格下不来，性能有局限)。非常巧的是，这个顺序和跟今天早上百人会张老师讲得一模一样，就是担心里程不足和充电问题，第二，还是有价格差的，这个价格差不单单是因为电池，因为电池的局限性，大家拼命一味搭配越来越大的电池，所以电动车价格下不来，缺乏选择性。是在低温的气候情况下目前的电动车的性能有很大的局限性。安全放在第五位是普通消费者想的，因为毕竟电车目前普及很少。但是业界的同仁实际上应该将安全性的提升和保障放在很前面。我记得欧阳老师今年讲了一句话：“安全应该是在能量密度之上考量的一件事情”。以这个作为一个引子。我们公司的愿望和信念就是我们的技术可以把这几个主要壁垒全部清除掉，非常坦白讲，如果把阻碍清楚掉大家就会买车子。
　　我们是在美国开了多年的一家公司，主要技术创新是硅负极，包括做硅负极配合的电解液、以及整个电芯的研发公司。我觉得我们这个技术如果做出来之后，有一个关键点来消除刚才讲过主要的壁垒。这就是我们可以做到快速充电4C、6C、8C，只要电网承受得了，同时我不会牺牲能量密度，这是非常关键的。今天这两件事情一定要同时讲，不能分开讲。高速快充和高能量密度一定要同时讲才有意义，单讲是没有意义的。第二，通过有了这个快速充，我们可以使厂商制造比较小的电池低成本电动车，第三有低温运行，第四可以提高电池安全性能，技术的内在优势防止析锂。我们还是一个小型公司，大概有8-10年时间，我们非常自豪的是，锂电池技术的先驱Dr. Goodenough在我们公司技术委员会里面，也是他接受作为技术委员会成员的的一家公司，对我们的创新技术前景非常认可。
　　现在来看看到底有什么重要的技术指标可以支持我们讲这些话。首先大家都知道硅有做为负极的非常好的特性，但是目前硅做不成负极的困难也是人人都知道。今天如果我们把硅负极做成了这个事情就先走出了一大步。首先我不是用纳米级的，我是用微米级的，所以在成本上有控制，而且是一个非常普通的不贵的材料。第二，最为关键的，我不是将硅涂到铜片上去的，所以我不用黏结剂，多数的龟裂都是膨胀系数不一样破裂了，所以充电几次后负极就坏掉了。第三，我们想了一个办法，把所有微米级的材料做成单体化的一体膜，你膨胀你的我顺其利导，只要控制膨胀的范围就不会碎掉，这是关键。既然这样做成了，大家来看一下技术指标怎么样。其实大家都很知道，对于硅来讲可以做到3000mAh/g比容量，对比石墨大概有将近10倍，这个大家都知道，可是我在设计的时候，我记得刚才哪位老师讲过，负极有1000就够了，我们在电芯设计时只用了1200到1500mA/g而已，我有这么大的比容量，设计的时候只用了一半。再一个，我在今天只用了一半和不到一半的情况下我已经可以达到800Wh/L或者300Wh/Kg，已经可以做到了，后面还有很多提升的空间，我今天不做提升有很多的原因，后面可以讲，安全是最重要的。同时在没有做任何预锂的情况下，我们首次库仑效率在电极上可以做到93%，，全电芯做到90%，还有高材料密度、低比表面，都是跟硅为主导的负极材料带来的，最关键的是我这样做下来以后，今天做石墨负极电芯的生产线可以照常使用，当做成了电极以后根本不知道我这个是硅的，前面有一部分需要有一些更新，大概估计85-90%可以照用，10-15%需要更新，更新的所有仪器和机器不需要现发明，市场上都买得到。
　　首先谈谈从安全隐患的内部因素的改进着手从而提高安全性。主要的安全隐患都是以负极析锂产生的。主要因素三种，，为了追求极限，正负极冗余度设计不够，今天是多少我不知道，做得非常非常接近。第二，锂离子不能跑的太慢，低温的时候就会跑得很慢。第三，这锂离子也不能跑得太快，比如大电流充电时，都会在负极的表面造成析锂。就会造成锂枝晶，这个东西就会穿透今天的透隔膜，导致正负极短路，造成起火等一系列的严重的事情发生。既然是这样，我们就从这里着手，我们先解决它，我们把负极析锂的根源解决掉。
　　今天的石墨和以石墨为主材的负极都是一样的，都不能避免会有析锂，有了析锂之后就会长锂枝晶，长锂枝晶之后就会爆炸，这个是没有办法的事情，但是如果今天的负极做成以硅为主的负极以后，就不会析锂。主要原因是，硅电位会比较高，不但是比析锂的电位高，也比石墨的要高很多，因为负极里面没有石墨，所以在在充电的过程中不需要跑到低电压就已经充完了，所以根本不可能碰到析锂的电压。第二，硅的特性就是锂离子的进入硅会比进入石墨快很多很多。所以由于这两个有本身的固有的安全性优势，就会把的安全隐患析锂去掉。如果今天我们做到这一关键点，下面你会看到会产生很多很多优势，包括安全的优势，包括性能上的优势。我可以举几个例子，个，刚才我们说过了，如果在低温的情况下我解决了这个析锂的问题，就不会产生锂支晶刺透隔膜的问题。另外，今天的技术局限电动车只建议在较窄的一个温度区间运营，如果把这个事情解决了，虽然在高温方面没有改进，但是低温的运营空间一下改进扩展了很多，现在可以做到-40度。这是一个巨大的好处。再举一个例子是高速充电，我们的感觉是高速充电一定是大家买车的动力源泉，一定要解决，在高速充电今天的技术里面，的问题就是会实现析锂，把这个解决了，高速充电加上高能量密度就会变成现实。再举一个例子，这个事情大家可能没有想到，在电车里面有这个再生制动技术，在刹车的时候不只是刹车片，还会利用电机反转来将动能转为电能反向给电池充电。但是如果在寒冷气候条件下再生制动是很危险的事情，电池在寒冷的情况下是非常非常容易析锂的，所以目前的情况下是不建议做的。但是今天我们解决了这个问题，这件好事情在今后的设计之中就可以考虑进去了。再举一个例子，刚才王老师讲过，过充保护，你可以说有BMS，这个没有错，但是过充毕竟在最最基本电芯的环节上还是要有更加冗余的保护。
　　这个月初在清华大学也是百人会举办的一场座谈会里面，有一位业界的老师做总结的时候说了这么一句话，我想给大家分享一下，他说电动汽车要想市场化必须减少电池用量，降低车价，而不是片面追求长里程、多装电池;也不是拼命提高电池比能量、增加危险性。所以我们觉得如果要想解决这个问题，关键就是一定要能够做到要在非常高能量密度的情况下同时还可以做极速快充，如果我们能够做到这样的话，他讲的问题我们是可以避免的。举一个例子，如果今天我们充电就如同加油一样快速便捷，我就不一定非要买大电池车，车厂就有灵活性，做各种里程车子适合各种不同情况需求的人来购买。为什么汽油车里面有Mini cooper没有问题?为什么电动车要做大的?如果把这个问题解决了就可以做适用于各种人和家庭。不一定是有两辆车、三辆车的人才会买电动车。一定要顾及到次买车和只有一辆车的的人和家庭，这个时候才可以把电动汽车做到接近于汽油车一样对里程没有顾虑。在今天充电设施的基础上，包括你的家里、你的停车场、工作场合、旅店，再加上高速充电，在街角型的，在中国也是一样，加油都在街角，充电就不行，所以我们想把加油站变成加电车在街角上或者高速路边上，这样的话大家才不会有里程焦虑，这是我们的一个想法。这样做以后刚才那位老师提出的问题就解决了，可以缓解里程焦虑，即使小电池的车也没有里程焦虑，我多加电就像多加油是一样的道理。如果我可以这样做了，电池设计的时候，就可以同时对安全和能量密度做一个权衡，我就不必一味再单一极端追求能量密度，导致大幅增加危险性。这是中国的一位工程师跟我讲，他说在每增加10%的能量密度下，安全程度下降是呈十倍以上的，如果今天有一个车子是400公里的车子，我不想买，因为我害怕不够，如果说今天440公里了，我还是不买，但是安全上10倍降低，你想一想，有了这个技术以后，在安全上是反过来是更好的，这就是为什么我提出来直接对安全有好处，在设计理念上也会带来新的思路，在大家设计车和实际电芯的情况下，而不是一味地单纯追求大电池或者高能量密度。我记得是叶老师说了一句话，说你回国这么长时间看到大家都追求高密度你吓死了，真是这么一回事，你想一想，今天大电池在出事的时候，它造成的恶劣影响一定比小电池的多，你何必在所有的人，在路上的人每天只用电池容量的20%，但每天都要背一个大电池跑?这个不合理的。
　　说了半天，大概介绍一下做到什么地步。张图是指今天我可以做到跟常规的石墨相比可以做到长电流的时间几乎在75%，确实可以做到在前面这段时间之内，在先行阶段之中已经把电池，不一定非得充满，但是可以充到80%，不像手机电池，电车电池很少用光的，基本上40%就已经开始找充电站了，多数的情况下充的都是在上面那一段，而不是下面这一段，跟手机不一样。第二，不管充电是0.5C，是1C、2C、4C，我的循环是一样的，我改进了1C就会改进4C，不存在要讲高速充电我的循环会受到影响，在右边这张图是非常重要的一个以硅为主的负极的特性。我今天还是在不断地改进这个循环，但是我在做的过程之中，我不一定要牺牲我的高速充电能力，因为它是一样的。
　　举一个很简单的例子作为结束，竖轴是每充五分电跑多少，这个轴电池尺寸大小，我挑了三个常用的或者有比较典型范例的。个是30千瓦时的电池，在普通情况下充五分钟可能跑几公里，第二个60的是一样的，5分钟跑十几二十公里，如果用这种技术做出来，可以超过200公里，比较的是100的比较大号的电池，可以跑300-400公里，在这种情况下就好比右边的图看到的，好多好多好处一下子都产生了。
　　这是我们做的标准，我就不说了，大家都知道。在中国有一位比较有权威的老师，他说你这个听着真好，你让我试一试，我需要一天半就知道你是不是吹牛。我1月份参加百人会以前来了，我就给了他，他用两天做了两个实验，一个是上面是不同的速率充电，看看保持性如何，他说做几个循环就会知道了。第二个他说要做中国特有的热箱实验，做到标准要求的135度就停止，过程中说135度没问题我继续往上是不是OK?我说OK，我没做过，我不知道会发生什么事情，后来做到175度都没有着火，只是表面有点煳。760毫安时的全电池，不是钮扣电池，这是一个极好的开端，证明这个事情是有潜力可以做到的。
　　总结：最重要的这个技术可以防止锂析出，从而防止锂枝晶，下面一个是对俞老师的固态电解液有点意思，如果这个事情做成了，今天我们已经跟大的电芯厂商、大的整车厂商开始合作了，如果这件事情做成了，我预测，会大大推迟对所谓的全固态电池的需求，因为这个已经解决了很多问题。第二，我完全负极可以不一定用锂金属，我完全负极可以用硅负极搭上您的固态电解液，什么好处?就是我今天所有的好处，高速充电都不会流失，如果是用您的技术加上锂的话，所有的高速充电都没有了，所以这可能是一个潜在的优势，这可能会大幅提前固态电池的应用。今天早上听宁德时代的老师说，今天全世界，包括中国也是这样生产过剩，再过五年以后很可怕，大家把车生产过剩是一件很可怕的事情，大家为什么买车?你不把它解决掉了没有用的。我们感觉做了这件事情以后，解决了大家不愿意买车的壁垒，同时，它固有的带来的安全上的优势又帮助我们进一步提高了安全上的好处，一箭双雕，作为结语，谢谢。

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