“高比能动力电池的关键技术和相关基础科学问题研究”项目介绍

夏定国



“高比能动力电池的关键技术和相关基础科学问题研究”项目介绍

夏定国

（北京大学，北京 100871；“高比能动力电池的关键技术和相关基础科学问题研究”项目组）

2015年科技部组织编制了新能源汽车试点专项实施方案并于11月12日发布了2016年项目指南，共支持19个项目，其中“1.1”为动力电池新材料新体系。通过竞争，北京大学牵头申请的“高比能动力电池的关键技术和相关基础科学问题研究”项目与中国科学院物理研究所牵头申请的“长续航动力锂电池新材料与新体系研究”项目，共同获得了支持。本文介绍了“高比能动力电池的关键技术和相关基础科学问题研究”项目的目的和意义，研究目标，研究内容，技术指标，课题安排，研究基础，研究挑战和预期效益。

高比能锂离子动力电池；关键技术；基础科学问题；锂空气电池；锂硫电池

2015 年，国家科技部发布了“新能源汽车”试点专项2016年度第一批项目申报指南，该专项总体目标是深化实施新能源汽车“纯电驱动”技术转型战略；升级新能源汽车动力系统技术平台；抓住新能源、新材料、信息化等科技带来的新能源汽车新一轮技术变革机遇，超前部署研发下一代技术；到2020 年，建立起完善的新能源汽车科技创新体系，支撑大规模产业化发展。2016年试点专项首批在6个技术方向启动了19个项目。在“动力电池与电池管理系统”方向，包括了“1.1”动力电池新材料新体系，该项目为基础前沿类项目。指南确定的考核指标为：新型锂离子电池样品能量密度≥400 W·h/kg，新体系电池样品能量密度≥500 W·h/kg。项目支持年限为：2016.6.1—2021.5.31。

针对项目“1.1”，北京大学牵头，联合厦门大学、南京大学、北京理工大学、武汉大学、国联汽车动力电池研究院有限责任公司等国内优势研究单位，组建了由中国科学院院士、国家“千人计划”及教育部“长江学者”等参加的项目团队，申请了以“高比能动力电池的关键技术和相关基础科学问题研究”为题目的项目，通过形式审查、函评、视频答辩等竞争性申报环节，最终获得了支持，经过两轮预算审核，该项目确定国拨经费为3200万元。项目批准号为2016YFB0100200，下文介绍该项目的主要构想和研究内容。

1 项目目的和意义

为进一步提升我国在动力电池方面的创新能力，本项目以北京大学为牵头单位，联合厦门大学、南京大学、北京理工大学、武汉大学、国联汽车动力电池研究院有限责任公司等国内优势研究单位，组建了由中国科学院院士、国家“千人计划”及教育部“长江学者”等参加的项目团队，围绕高比能动力电池关键技术及相关基础科学问题，拟从三个层面展开研究：①以探索锂离子电池极限能量密度为目标，研究高比容储锂电极材料构效关系；探索异质结构高比容电极材料低成本制备技术；研究电化学反应过程与性能演变机制；构建能量密度≥400 W·h/kg 新型锂离子电池。②以支撑我国动力电池远期发展为目标，开展动力电池新体系探索，包括锂空气电池、锂硫电池，及其它高比能金属二 次电池，实现能量密度大于 500 W·h/kg的目标。③以提升动力电池应用技术为目标，发展原位/实时表征新技术；研究电极失效机制和性能改进策略；研究新型功能化隔膜和电解液；建立电池极化模型和仿真技术，探索改进电极及电池结构的设计方法；提出改善电池安全性的新策略和新技术。本项目的成功实施，可大幅提升我国在动力电池领域的技术水平和创新能力，推动我国电动汽车产业的持续、快速发展。

2 项目的总体目标

本项目主要目标是提供高能量密度锂离子电池和新电池体系的科学与技术解决方案。本项目提出研究三种电池，其中锂离子电池能量密度达到 400 W·h/kg，锂硫电池能量密度达到500 W·h/kg，锂空气电池能量密度达到500 W·h/kg。

3 项目主要研究内容和主要技术指标

为了实现总体研究目标，本项目拟围绕动力电池在三个层面上的关键科学问题，设置6个课题，具体见表1，形成了一个各具特色又互为支撑的整体。

表1 本项目课题基本情况

在上述6个课题中，课题1、课题2及课题3分别突出构建高比能动力电池新材料及新体系，侧重高比容量电极材料的结构特征、多电子电荷补偿机制、电极界面设计与功能调控的创新研究，为实现动力电池高比能提供材料基础，是本项目研究的重点。课题4的设置是为课题1、课题2和课题3服务，通过电极反应机制的研究，为高容量动力电池材料的设计、制备及在电池中的应用提供技术支持，解决这些新材料可能出现的化学稳定性、电化学兼容性等问题。课题5及课题6针对上述高比能动力电池的共性问题——安全性和长寿命开展研究，通过研究高比能动力电池的电化学反应过程，给出多维多尺度极化模型，为动力电池数字化设计提供理论基础及方法，旨在解决其应用的可靠性和性价比问题。各课题间合作关系如图1所示，每个课题的具体技术指标见表2。

表2 每个课题的具体技术指标

4 项目拟解决的关键科学与技术问题

围绕项目的总体目标和技术指标，提出了本项目拟解决的13项科学与技术问题：①原位异质包覆结构材料的制备；②富锂化合物/合金中原子局域结构的获取；③新型动力锂/锂离子电池电极材料纳米晶体的生长机理；④电极材料微观结构及其演化机制；⑤非水体系中双功能催化剂作用机制与失效机理；⑥负极金属锂枝晶生长的抑制；⑦厚极片、高载硫的情况下，电极的稳定性；⑧高安全性功能电解质材料的作用机制与相容特性；⑨有机锂-空气体系新型电解液的异构设计与功能优化；⑩高比能动力电池的热失控防范机制与技术；⑪电池内部不同层次离子与电子耦合和极化机制，包括单颗粒、多孔电极和整个电池电化学反应模型；⑫分离解析物质扩散和电化学反应相关参数，建立参数的相关实验测试方法和技术手段；⑬凝炼整个电池电化学过程的极化模型，从本质上认识与理解新型动力锂/锂离子电池能量和功率输出与内部极化过程的关系。

5 项目团队及研究基础介绍

本项目的研究将依托固体表面物理化学国家重点实验室（厦门大学）、国家能源材料化学协同创新中心（厦门大学）、北京市先进电池材料理论与技术重点实验室（北京大学）、国家有色金属新能源材料与制品工程技术研究中心（科技部）、国家化学电源产品质量监督检验中心（苏州大学）和全国电池材料标准化委员会（苏州大学）等多个省部级重点实验室/工程中心。项目承担单位配备了一批具有国际先进水平的材料制备和结构表征仪器，以及完善的电化学研究和电池测试设备，主要包括：系列原位电化学谱学系统、材料电子结构设计、模拟计算及软件系统、电化学测试平台、材料结构分析与表征平台、电池性能测试系统、电池材料与电池制备工艺平台。项目集中了我国化学电源研究领域的优势单位，形成了结构合理的人才梯队，与国际同行建立了较为密切的合作研究关系。参加本项目研究的骨干研究人员24人，其中正高16人，副高8人。平均年龄为45岁。研究队伍涵盖电化学、无机化学、凝聚态物理、材料物理与化学等学科专业，体现了交叉学科的结合优势。

6 技术挑战与风险

专项总体目标是：继续深化实施新能源汽车“纯电驱动”技术转型战略；升级新能源汽车动力系统技术平台；超前部署研发下一代技术；到2020年，建立起完善的新能源汽车科技创新体系，支撑大规模产业化发展。本项目申报内容属于指南方向“1.1”：动力电池新材料和新体系，如何通过新型高性能储锂电极及其反应机制、低成本合成和应用技术，研究材料的结构演化机制和性能改善策略，探索锂离子电池极限能量密度及其现实途径，发展出能量密度≥400W·h/kg的新型锂离子电池；同时探索动力电池新体统，通过研究关键电极材料及其反应过程、反应动力学、性能演变等基础科学问题，开发出能量密度500 W·h/kg的新体系动力电池，是研发成功的关键。

本项目以提升动力电池的应用技术为目标，开展动力电池的相关应用基础研究，包括：电池极化模型和仿真设计方法；电极微结构和电极表界面的原位表征方法；新型高性能隔膜和电解液开发，以及电池安全性和环境适应性等问题的研究。目前项目承担单位在锂离子电池、锂硫、锂空气电池方面具有较好的研究基础，拥有先进的锂电池基础科学与应用开发实验平台，研究团队成员与国内外锂电池研究团队、锂电池材料与电芯制造企业以及汽车企业保持着密切的合作关系。项目启动后，基于项目研究成果和进展，将经常组织项目内部进行专题讨论并邀请知名专家学者及电池企业充分交流与合作，在研究过程中强化优势技术，及时调整不合适的解决方案，尽量降低完成本项目的技术风险。

7 项目预期效益

动力电池是电动汽车的“引擎”，是新能源汽车领域技术竞争的核心。在科技部“863”电动汽车专项的持续引导和四部委“创新工程”等专项的大力支持下，我国动力电池的研发水平、工程化能力和产业规模得到了快速提升，已跻身国际三大动力电池生产大国，形成了一支队伍庞大、分工明确的研究开发队伍和基本完整的产业链。但与国际顶尖水平相比，我国在动力电池设计理念、工程化控制能力、产品性能等方面仍存在一定差距，特别是基于经验性、抓药式的电池设计方法，不仅浪费了大量人力物力，而且制约了产品开发进程和水平。此外，受急功近利思想的影响，我国在新型锂离子动力电池和新体系动力电池等前瞻性技术研究方面投入不足、原创性研究较为欠缺。

针对上述问题，本项目拟从三个层面开展工作：①发展出能量密度≥400 W·h/kg新型锂离子电池，为我国动力电池的中期发展提供技术支持；②研制出能量密度≥500 W·h/kg新体系动力电池，为动力电池的远期发展奠定基础；③建立动力电池极化模型和安全控制方法，提升动力电池的理性设计水平和应用技术性能。

上述工作对于大幅提升我国在动力电池领域 的技术水平和创新能力，以及推动电动汽车产业 的持续、快速发展具有重要作用，社会经济效益 显著。

Project “ Key technology and basic science problem reach for high energy density lithium batteries”

XIA Dingguo

(Peaking University, Beijing 100871, China)

Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China (MOST) initiates national new energy vehicles pilot project in 2015 for next 5 years. Totally 19 projects are announced in 2016. The project 1.1 is a 5-year fundamental research type project (2016—2020) with a 32M ￥ budget，aiming to increase the energy density of EV batteries. Two targets are purposed: 400 W·h/kg for Li-ion batteries and 500 W·h/kg for new batteries. After 3 rounds review and defense, a team led by Peaking University wins the project. The title of the project is “Key technology and basic science problem reach for high energy density lithium batteries”. Scientific problems and technologies of three types batteries will be studied: 400 W·h/kg lithium ion batteries, 500 W·h/kg Li-S batteries and 500 W·h/kg Li-air batteries. This project includes 10 institutes and two companies as partners.

high energy density Li-ion batteries; key technologies; basic science problems; Li-S batteries; Li-air batteries;

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0100

TM 911

A

2095-4239（2017）01-165-04

2016-12-08。

国家重点研发计划项目（2016YFB0100200）。

夏定国（1964—），男，教授，研究方向为锂插入化合物、低铂及非铂催化剂和材料模拟计算，E-mail：dgxia@pku.edu.cn。