中文版 | 》 ENGLISH
  • 人力资源与社会责任
  • 人力资源
  • 社会责任
  • 联系我们
  •             公司动态
                行业动态
                相关知识

     

    邮箱:info@hawaga.com
    地址:北京市海淀区上地十街1号院2号楼17层
     
    企业动态
     您的位置:首页新闻动态
     
     

    锂浆料万博电脑网页版登陆:新兴容量型电化学万博app在线下载技术新进展

    作者:陈永翀  |  来源:悦智网-科技纵览 (新能源与节能 20171027)  |  查看次数:1965

    中科院电工研究所陈永翀教授团队最早在国内开展锂浆料万博电脑网页版登陆的相关研究,并与北京好风光万博app在线下载技术有限公司合作,产学研紧密结合,建立了万博app在线下载技术研究团队和中试研发中心。团队目前正在建设我国第一条锂浆料万博电脑网页版登陆中试线,预计2017年底将完成主体装备线建设,并推出第一代锂浆料万博电脑网页版登陆样品,开展示范使用。

     

    2050年,城市人口或将超过63亿,占全球人口数的2/3,超过千万人口的大城市将迅猛增加。人们生活在钢筋水泥的城市里,仅依靠本地发电远远不够,还需要不间断的电力供应,以满足家庭、服务业、工业以及交通的用电需求。 “洁能+万博app在线下载+智能”已成为未来能源互联网的发展方向,而万博app在线下载技术将为能源系统的发展及运行带来革命性变化。当前,在众多万博app在线下载技术中,电化学万博app在线下载技术的进展步伐最快。

    锂离子万博电脑网页版登陆因具有高能量密度和高循环效率等优势,在全球便携式电子设备市场中占据着大部分份额,并逐步开始应用于电动汽车和电力万博app在线下载领域。然而,由于现有动力锂万博电脑网页版登陆和电力万博app在线下载锂万博电脑网页版登陆是从手机万博电脑网页版登陆等微小型万博电脑网页版登陆发展而来,其结构设计和材料选择并没有考虑可维护再生和回收处理的环节,五年左右的实际使用寿命和万博电脑网页版登陆报废后带来的回收再生难题不仅增加了全产业链成本,也成为我国万博app在线下载动力万博电脑网页版登陆产业可持续发展面临的严峻挑战。另外,大规模万博app在线下载锂万博电脑网页版登陆系统的高成本以及安全隐患仍是亟待解决的关键问题。

    为此,一种新兴的容量型电化学万博app在线下载技术——锂浆料万博电脑网页版登陆(Lithium slurry battery)发展起来了。浆料形态的万博电脑网页版登陆电极最早见于1996年美国Gould Electronics有限公司申请的专利。而“锂浆料万博电脑网页版登陆”的技术名称最早由中科院电工研究所陈永翀教授团队在2015年专利中正式提出。

    ——

    比于传统锂离子万博电脑网页版登陆,锂浆料万博电脑网页版登陆的全部或部分电极由活性材料颗粒、导电剂和电解液组成的浆料构成,在技术应用方面更具优势:

     

    1. 采用浆料厚电极结构,万博电脑网页版登陆成本低,回收再生容易
    一直以来,厚电极结构都是容量型万博电脑网页版登陆技术研发的梦想。然而,传统锂离子万博电脑网页版登陆的电极活性材料必须粘结于集流体上形成固定电极,粘结电极层不能太厚(一般小于0.2 mm)。若粘结电极层超厚,经过若干次循环膨胀和收缩后,粘接电极颗粒和电极层容易发生脱落,造成万博电脑网页版登陆循环寿命的急剧衰减。锂浆料万博电脑网页版登陆中的浆料电极具有动态导电网络的特征,避免了粘接电极材料脱落或松动造成的循环寿命衰减问题,因此锂浆料万博电脑网页版登陆可以采用超厚电极结构,如目前陈永翀教授团队已验证5 mm厚度的浆料电极仍可实现良好的充放电和循环性能。不同活性材料负载量对应的电极浆料能量密度和万博电脑网页版登陆综合能量密度(如图1所示)。


    图1 不同电极活性材料在不同负载量下的(a)浆料比容量和(b)正负极综合能量密度


    浆料厚电极的制备免去了传统锂离子万博电脑网页版登陆薄电极的精密涂覆等昂贵制备环节,因此生产流程得以简化,预计规模生产成本可以降低至目前锂离子万博电脑网页版登陆的1/2左右。另外,浆料厚电极非常有利于万博电脑网页版登陆报废后的回收再生。浆料补充微量损失元素后,经过低成本再生处理环节可以重新用于制造新万博电脑网页版登陆,避免了报废锂万博电脑网页版登陆酸碱处理的高成本和高污染回收环节。因此锂浆料万博电脑网页版登陆技术的开发有望实现万博app在线下载锂万博电脑网页版登陆产业的资源闭环发展,具有重要的产业战略意义。

     

    2. 万博电脑网页版登陆动态循环寿命和日历使用寿命长
    与传统锂离子万博电脑网页版登陆固定粘接的电极结构不同,锂浆料万博电脑网页版登陆的电极含有部分或全部非粘接固定的导电颗粒,当万博电脑网页版登陆受到外力冲击或温度变化时,由于浆料具有动态导电网络的特征,因此可以避免传统锂万博电脑网页版登陆电极材料脱落或松动造成的万博电脑网页版登陆容量下降问题和循环寿命衰减问题,万博电脑网页版登陆的动态循环寿命长。更为重要的是,锂浆料万博电脑网页版登陆的创新技术形态使得万博电脑网页版登陆内部材料界面微结构的在线修复成为可能,因此锂浆料万博电脑网页版登陆技术的开发使得万博app在线下载万博电脑网页版登陆完全有可能具备十年以上的超长日历使用寿命,为低成本长寿命万博app在线下载万博电脑网页版登陆的应用发展开辟了一个新的技术方向。

    ——

    此,锂浆料万博电脑网页版登陆被认为有望在低速电动汽车、基站万博app在线下载、电力万博app在线下载等能量型或容量型万博app在线下载领域发挥重要作用(图2)。锂浆料万博电脑网页版登陆包括两种形态:一种是电极浆料可在万博电脑网页版登陆反应器与外部储存容器之间循环流动的万博电脑网页版登陆系统,由储液罐、万博电脑网页版登陆反应器、密封管道及控制系统组成,万博app在线下载容量和功率密度可以独立设计,适用于大规模万博app在线下载;另一种是电极浆料密封于万博电脑网页版登陆反应器中,不发生外部循环流动,万博电脑网页版登陆可以具有更高的能量密度、相对紧凑的结构特征和简化的生产流程,适用于容量要求低而功率要求较高的场合,可作为电动车的动力万博电脑网页版登陆使用。


    图2 外循环锂浆料万博电脑网页版登陆的(a)设计图和(b)实物照片


    针对上述锂浆料万博电脑网页版登陆的两种形态,陈永翀教授带领团队在近期的科研项目中,探索了电极浆料的制备方法;优化了万博电脑网页版登陆反应器设计;推进了锂浆料万博电脑网页版登陆由实验室小试向基地中试阶段的进程,取得了一系列创新成果。

    电极浆料制备的先进方法
    在电极浆料的制备方面,项目团队开展了多种工艺路线的研究,分析了材料体系各组分对综合性能的影响,使其性能得以不断优化。

    锂浆料万博电脑网页版登陆的主要特征在于电极材料的特殊性,电极材料是由可脱嵌锂离子的固态活性材料颗粒与导电颗粒分散于电解液中形成的,导电颗粒处于动态接触状态,同时具有离子传输和电子传导的性质。电极浆料是锂浆料万博电脑网页版登陆发生充放电行为的主体功能材料,对万博电脑网页版登陆系统的性能具有重要影响。目前在电极浆料制备方面的相关研究报道大多集中于不同活性材料体系制备电极浆料的性能初步探讨,通过导电剂选择、材料体系配比、流变性能等方面的研究对电极浆料性能进行优化。

    如何制备具有优异导电性能和稳定颗粒分散状态的电极浆料是陈永翀教授团队重要的研究内容。陈教授团队在基础制备工艺研究和性能测试的基础上,掌握了具有复合导电结构的电极活性材料设计和可控制备技术,使电极浆料性能得到明显改善。当电极浆料中的电极活性材料颗粒之间发生轻微的动态接触时,复合导电结构可以增加颗粒间的实际导电接触面积,保证颗粒间良好的接触电导。所制备的电极活性材料倍率特性相比未经改性的产品均有较大程度的提升,基本达到实用水平。

    万博电脑网页版登陆反应器的突破设计
    万博电脑网页版登陆反应器是锂浆料万博电脑网页版登陆的核心部件,由分别位于隔离层两侧的正极反应腔和负极反应腔构成。由于电极浆料具有黏度大、颗粒分散稳定性要求高的特点,因此陈永翀教授团队针对万博电脑网页版登陆反应器的腔体结构进行了特殊设计,以促使电极浆料在腔体内的均匀流动或分布,同时实现较好的导电性能。此外,还对集流体、隔离层等进行设计,减小万博电脑网页版登陆极化内阻,提高隔离层强度,以满足万博电脑网页版登陆组装和运行的需求,目前团队已制备出容量大于40Ah的万博电脑网页版登陆模块。

    国内外相关研究报道中的万博电脑网页版登陆反应器大多处于小型的实验室测试模具或单通道方案设计阶段,尚未见成熟的应用模块方案。陈教授团队创新性地提出了集流内阻解耦的模型思路。通过对不同浆料配比和反应腔厚度的万博电脑网页版登陆反应动力学进行大量的模拟和性能测试,验证了集流内阻解耦结构对于提高万博电脑网页版登陆倍率性能的必要性。该技术方案颠覆了万博电脑网页版登陆反应腔结构的传统设计,解决了万博电脑网页版登陆反应腔厚度增加导致电极浆料极化内阻偏大的问题,是该技术方向的一个重大突破。

    基于集流内阻解耦结构,陈教授团队开展了低内阻高安全的复合隔离层的性能优化和万博电脑网页版登陆反应腔流道的设计,开发了不同功率等级的万博电脑网页版登陆反应器。利用不同的表面绝缘处理方式、涂覆配方以及涂覆工艺,并结合有限元分析对隔膜应力应变分布曲线的模拟,优化了复合隔离层的支撑结构和表面改性技术,实现了低内阻高安全的复合隔离层的制备。在对反应器的连接结构、密封性、集流体、隔膜等进行研究的基础上,设计了万博电脑网页版登陆模块,进行相关性能测试。通过对不同反应腔结构进行流体动力学模拟,指导反应腔流道的设计,开展了百瓦级万博电脑网页版登陆模块的设计、组装与测试工作,预计在2018年可以逐步进入示范应用阶段。

    驱动系统的创新理念
    在研究过程中,陈教授团队还提出了利用重力和气体压力推动电极浆料循环流动的方式,并基于“无泵锂离子液流万博电脑网页版登陆串并联系统”的创新理念,设计了储液罐-缓冲罐串联供液系统以及往复式气体驱动系统,通过改进动力气源注入装置提高了储液罐内固液分布的均匀性;并结合万博电脑网页版登陆模块电路并联和液路并联方式设计,提高了驱动系统的密封性和绝缘特性。

    ——

    年来,随着锂液流万博电脑网页版登陆的公开报道以及流体粘度-机械损耗-能量密度之间相互制约问题的显现,因无需考虑驱动损耗而具有更高能量密度的锂浆料万博电脑网页版登陆引起国内外研究人员的重视。锂浆料万博电脑网页版登陆国外申请人中,日本的夏普株式会社和德国的ARYS有限公司都是较早进入锂浆料万博电脑网页版登陆领域的商业机构。国外专利申请数量排在第一位的是美国24M公司,该公司与麻省理工学院的蒋业明研究团队合作,在锂浆料万博电脑网页版登陆技术方面申请多项专利。


    目前,国内在锂浆料万博电脑网页版登陆领域专利申请数量最多的是中国科学院电工研究所陈永翀教授项目组和北京好风光万博app在线下载技术有限公司的合作万博app在线下载技术研究团队。团队在万博电脑网页版登陆反应腔设计、电极悬浮液制备、万博电脑网页版登陆安全性能等多方面取得了突破,形成了较为系统的自主知识产权体系,目前已申请的专利数量为65项。在驱动系统方面,提出了利用重力和气压进行驱动的无泵系统。在电极浆料方面,主要涉及电极浆料的制备方法、回收、补锂等技术。在万博电脑网页版登陆反应器方面,对不同应用需求的锂浆料万博电脑网页版登陆进行了结构设计,提出了可行的实施方案,尤其是基于集流内阻解耦模型的创新结构设计,为厚电极锂浆料万博电脑网页版登陆的实用化开发奠定了技术基础。


    从产品应用定位来看,麻省理工学院和24M公司主要致力于电动汽车用高能量密度动力万博电脑网页版登陆的研究,即通过提高活性材料在电解液中的负载量和电极厚度,减少隔膜、集流体等非活性物质的质量占比来实现高能量密度的目标,而国内陈永翀教授团队主要是针对低成本、长寿命、高安全和具有可维护再生特点的万博app在线下载用万博电脑网页版登陆展开研究,即通过对电极关键材料(特别是活性材料和集流界面)、万博电脑网页版登陆结构和再生系统进行创新设计,实现万博app在线下载用大容量万博电脑网页版登陆成本降低和万博电脑网页版登陆安全日历使用寿命延长的目的,因此在专利体系申请和万博电脑网页版登陆结构设计方面更具显著的创新特色和独立自主的研发路线。

    ——

    来,风能、太阳能等可再生能源受制于环境的影响,因具有高随机性、高波动性等特点,与电力昼夜消耗峰谷差、电网稳定性的矛盾日渐突出。利用电化学万博app在线下载技术实现可再生能源并网、ManBetX万博官网登陆调峰等是目前解决这一矛盾的关键。将锂浆料万博电脑网页版登陆万博app在线下载技术应用于电力转换系统和能量管理系统中,可以有效地实现用户需求侧管理,消除昼夜峰谷差,平滑负荷,能够有效地利用电力设备,降低供电成本;可以促进可再生能源的利用,提高电网系统的运行稳定性;可以提高电网电能质量,保证供电的可靠性;减少电力资源的浪费,减轻环境污染。

     

    [专家介绍]
    陈永翀:中科院电工所万博app在线下载技术研究组组长,中国科学院大学教授,入选中科院电工研究所创新人才计划。锂浆料万博电脑网页版登陆技术发明人,电动汽车VEG模式倡导者,致力于万博app在线下载万博电脑网页版登陆和动力万博电脑网页版登陆技术领域的研究工作。兼任中国化学与物理电源行业协会万博app在线下载应用分会副秘书长、专家委员,中国化工学会万博app在线下载工程专委会委员,《万博app在线下载科学与技术》杂志编委,中国能源互联网专家俱乐部首批特聘专家。

    版权所有 北京好风光万博app在线下载技术有限公司
    Copyright © 2011-2019 Beijing Hawaga Power Storage Technology Co.Ltd. All Rights Reserved.
     
    京ICP备16014988号