美國阿貢國家實驗室Khalil Amine:鋰離子電池的一些進展

1月10-12日，2020中國電動汽車百人會論壇在釣魚臺國賓館隆重召開。本次論壇圍繞「把握形勢 聚焦轉型 引領創新」主題，邀請政府有關部門和汽車、能源、交通、城市、通訊等領域的行業機構和領先企業代表，就行業、企業、政策的轉型與創新展開深度研討。以下是美國阿貢國家實驗室教授，Khalil Amine在本次論壇上的發言：

美國阿貢國家實驗室教授 Khalil Amine

謝謝歐陽教授對我的介紹。今天我想跟大家來分享一些在能源包括鋰離子電池等等這方面的一些進展。

首先我們從這一頁內容去看一下，它向我們展示2015年人類行為的能源流動情況，除了交通運輸之外，我們看到實際上運輸行業是唯一僅依賴一個能源供應鏈的主要行業。電力是多種能源一個統一的能源載體，所以實際上我們也在交通運輸當中浪費了一半的能源，這種情況是不可持續的。

在美國我們看到70%的化石燃料是用於交通運輸，85%的化石燃料消費都是在路上的汽車所使用的。同時我們看到交通運輸在美國是家庭支出第二大的項目，第一大項目當然是住房了。我們也需要去實現更多的電動化和更多的減排努力，同時交通運輸現在毫無疑問，在電動化方面是處在世界的領先地位。中國佔了世界上一半的電動汽車的生產量，絕大多數的地區包括像歐盟和中國我們都看到，到2020年之前，將會去實現電動化的目標。

目前我們看到傳統汽車和電動汽車在中國是處在一個齊頭並進的狀態，在美國我們也看到相對來說， MPG的比例要低於另外兩個主要的經濟體，就是中國和歐盟。在這裡是我們在彭博新聞社看到的一個研究，在彭博新聞他們所做的一項關於新能源的研究，主要是關注於在新能源方面的資金，我們看到中國是領先全世界的。藍色代表的是美國，綠色代表的是歐洲，在最上面深綠色代表的是世界其他地區，所以我們能夠看到中國在新能源方面的投資是在越來越快的增長，而且它的體量也是世界上最大的了。但是如果我們看一下成本，仍然是進一步的加大我們電動化進程一個主要的挑戰，同時我們也可以看到現在美國也在這方面做了大量的努力。

我們從成本的角度來看一下，目前進一步進行電動化主要從成本角度來說，現有的項目從我們預測的成本角度來說，仍然還是我們預測成本的兩倍，同時我們也看到近期的一些目標主要是希望成本能夠做到125美元/kWh，同時我們看到從長期目標成本的角度來說，希望能夠把它降到80-100美元/kWh。同時從這裡我們能看到，不斷的去加強電池的能量密度，同時降低成本的話，我們前景還是非常明確的。比如在左邊展示的是現有的比如像聆風電動汽車的電池，一般是23kWh，125liters等等這樣一些數據，從這個角度，我們可以大幅縮小它的大小。另外我們需要去充分穩定電解液它的電壓，比如如果我們能夠達到4.7V電壓的話，在下一代的技術當中，我們就能夠去實現一個非常顯著的提升。

從陽極的角度來說，今天的技術實際上主要是基於石墨的，在350 mAh /g這樣一個密度，下一代是否能夠達到1000 mAh /g，從陰極的角度來說，今天的技術主要是170毫安時/克，下一代期待能夠達到250-300 mAh /g，我們從新的高能應急的角度來看一下，在每個例子上是否能夠實現一個密度的提升，我們開發了一個新的技術叫做FCG，就是全密度的梯度的鋰離子。從這個角度來說，你會看到鎳離子是出現在表面層，從這方面你就能夠獲得由錳帶來的穩定性和鎳帶來的很好的導電性。從這裡看到，如果降低鎳，提升錳的話，就能夠在這裡去有效的提升電池的效率。我們還可以選擇把這個錳和鎳兩者進行一個分離，於是我們可以控制兩種金屬的密度。接下來我們還可以看一下，綠色的是鎳，橙色的是混合，紅色的是錳，這就是大概從結構空間分布的角度來說，它們三個是怎麼分布的。

我們可以看一下從FCG和NMC的比較，是6：2：2是在第一張圖，它的密度是2.5克每CC，如果看上面這些圖的話，你會發現主要的顆粒是球形的，同時從鋰遷移的角度來說，主要是顆粒邊界，我們可以看到低電壓時候的鋰的提取度是沒有那麼高的。在下面這張圖中看到的是具有梯度成分的緻密杆狀的結構，在右下角這張圖介紹了一下分層的情況，以及杆狀結構的平行的情況。在低電壓下，鋰的清除的速度相對更快，清除的程度是更徹底的。

在這裡我們也是進行了第一次充電的比較，分別是FCG811和FCG622之間的比較，我們看到在右圖當中，從放電的容量角度，我們在225 mAh /g這樣一個密度下，能夠實現具體的電壓是多少，同時我們能夠看到由於獨特的形態，從分層到初級離子方面，FCG622在4.3V電壓下是第一次充電能力能夠達到剛才說到的225 mAh /g。我們可以看一下在這裡有很多金屬能夠給我們帶來很好的效應，比如矽就是低成本的金屬，同時它也給我們提供了一些基於體積角度最好的一些密度方面的表現。我們跟其他的金屬來進行比較，會看到實際上從應用的角度來說，矽可以成為一種非常有前景的金屬候選。我們還可以看到實際上通過去增加陽極的電容，能夠有效的提升電池的能量。也就是說通過這種非碳陽極材料，同鋰離子加上儲能金屬的組合，我們能夠實現非碳基的陽極材料新的構成。從下面這些數據角度來說，我們看到是在非常低的載荷下的一些數字，這些數字看上去跟現實當中的載荷是有很大的差距。但是我們得到的一些數字還是比較令人感到滿意的，所以在美國阿貢國家實驗室當中，我們嘗試去找到一些如何能夠提升規模化發展的機會。主要基於把矽和碳作為主要的陽極材料，我們知道像這裡面介紹的主要是矽晶圓上面的材料，它的成本早就工業化了，所以降的非常低，它有高度的毒性，所以是一個非常危險的材料。當然在實際使用當中，為了去避免出現中毒的情況，經常會使用一些傳感器對它進行高精度的檢測。同時我們可以思考使用晶圓上的材料，主要是基於高能石墨烯的陽極材料，加上一定量的氫氣，於是我們看到在三氯矽氫能夠製備矽和氯化氫，同時我們也會看到這種材料帶來很強的效率上的提升，達到了80%。這裡是很多半導體的企業，他們在自己的實際矽集成工藝當中是怎麼做的，在這個過程當中，他們是用工業化的生產，包括生產罐等這種方式，通過化學反應，在較低成本基礎上完成矽工藝的集成。在阿貢國家實驗室的網站上大家可以下載相關的一些信息，有很多信息都是開放的。同時我們看到從鋰離子的角度來說，現在矽基的陽極材料加上高容量的陰極，可以給電池系統提供一個風險相對來說比較中等的途徑。能夠達到的是低於125千瓦時電池的功率，同時使用一些預燃技術的話，系統成本可以降到1000美元/千瓦時，因為時間有限，我們還有一些新的項目，但是沒有時間跟大家來介紹了。

在兩種材料當中增加一個膜狀的結構，去更好提升其表現。如果我們再來看一下硫電池的話，硫也是應用在電池中一種新的材料。我想說一說硫電池的內容，硫之所以很有挑戰，是因為它有很強的容量，同時有兩個電子，從這個角度來說，能夠幫助我們把現有的需求能夠以兩倍的方式進行滿足。但是我們也知道每噸硫只用100美元就能買到，成本非常低，但是也存在很多的問題。首先就是它的導電性，比如它是不導電的，你需要去融入碳，同時會出現浮腫的情況，出現80%體積的浮腫，從設計的角度來說需要考慮到這一點。

另外就是我們也需要去考慮到硫材料是存在一些自放電的情況，這也是一個多年都沒能完全解決的問題。還有從陰極的角度來說，也會存在體積的變化，都會使用大量的碳，這樣來實現有效的導電。但是我們決定使用新型的析硫系統確保導電性，為什麼呢？因為它的導電性，它的導電效率要更高。再一個就是它的能量密度更好，導電率高，再一個，我們還看到它這裡是具備高活性物質的負載，另外能夠確保高體積的能量密度，除此之外，在很多的日用化學品當中有很多的應用，主要得益於它的屬性。再一個，它還具有價格方面的優勢，由於這些原因，我們使用析硫系統來確保導電，這是一個整體的結果對照，如果我們來使用不同化學結果的析硫系統，最後得到的重量比是什麼，如果看一下右邊的區間，他們是有不同的。我們所做的是從ANL電解質當中來進行電化學反應，所以最後我們發現事實上在這樣的電解質當中並沒有實現真正的分解以及溶解。除此之外，我們的實驗室還希望確保我們能夠在更多的電解質液當中實現比較高的化學驗證的成果，我給大家展示的這個是一個2D的等高線圖，在這個圖當中我們發現事實上邊緣的位置並沒有出現明顯的偏移。這兩張圖有很多峰值，左邊顯示有多個還原峰值，右邊只有一個峰值。具體的數據也展示在圖表當中。在這樣的情況下，我們能夠達到較高的充電率，比如在2C的情況下能夠達到很高的充電率。我們希望能夠把這樣的技術進行進一步的推廣和應用。

下面我想做一個總結，不知道我有沒有遵守時間。總而言之，現在車輛的電氣化是未來一個大趨勢，但是發展的速度卻比較慢。我們發現現在成本也是一個居高不下的要素，所以我們需要降低成本。有時候成本可能能夠達到三萬到四萬美元之高，所以成本是現在一個主要的障礙。我們會發現它阻礙電動汽車大規模的商業化，為了解決這個問題，我們開發實現了增加電池能量方式的系統，剛剛為大家舉的例子，第一個就是我們新型高能鋰離子系統，再一個就是我剛剛為大家介紹的析硫系統，作為導電的材質，能夠更加有效的使得電解質實現消除溶解還有穿梭效應。謝謝！