隨著電動汽車的普及,電動汽車等新能源產(chǎn)業(yè)成為發(fā)展熱點。鋰離子電池適用于電動汽車的動力系統(tǒng),目前市面上六七成的動力電池正極材料用的是三元材料。三元正極材料相比鈷酸鋰電池材料具有價廉、低毒、高比容量等優(yōu)點,是最具有應(yīng)用前景的動力電池正極材料之一。然而,低鎳三元材料快速充放電性能差、高鎳三元材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問題嚴(yán)重制約了三元材料的規(guī)模化應(yīng)用。
如何突破大容量、高安全、長壽命三元正極材料的技術(shù)瓶頸?昆明理工大學(xué)教授、鋰離子電池及材料制備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室主任張英杰及其團(tuán)隊給出了答案—高性能多元氧化物電極材料關(guān)鍵制備技術(shù)。團(tuán)隊?wèi){借“高性能多元氧化物電極材料關(guān)鍵制備技術(shù)與應(yīng)用”項目,獲2020年度云南省科學(xué)技術(shù)獎技術(shù)發(fā)明獎一等獎。
“三元正極材料就像儲存能量的‘房子’,我們的工作就是研究怎么優(yōu)化‘房子’的結(jié)構(gòu),讓它變得更好住、更安全、使用壽命更長。”昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院副教授段建國解釋道。
2007年,張英杰團(tuán)隊開始了電化學(xué)儲能方向的研究,當(dāng)時市面上商用的鋰電池只有鈷酸鋰電池。但由于鈷資源稀缺、難冶煉、價格昂貴且有毒,所以當(dāng)時電化學(xué)儲能領(lǐng)域的研究熱點是開發(fā)鈷酸鋰的替代材料。在此契機(jī)下,團(tuán)隊開始嘗試基于電化學(xué)原理,研究突破鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等電池材料中的各個技術(shù)瓶頸。而三元正極材料在應(yīng)用過程中存在兩大難題:低鎳三元材料倍率性能不好,也就是快速充放電的性能不好;高鎳三元材料容量高,但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能、熱穩(wěn)定性能不好。
明確問題,對癥下藥。團(tuán)隊從穩(wěn)定晶面暴露和調(diào)控顆粒團(tuán)聚兩個角度,自主研發(fā)出兩種具有革命性的創(chuàng)新技術(shù):超聲波-表面活性劑輔助技術(shù),提高了低鎳三元材料的大倍率充放電性能;顆粒結(jié)構(gòu)定向調(diào)控技術(shù),提升了高鎳三元材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。
運用此技術(shù)生產(chǎn)的電池產(chǎn)品振實密度、放熱起始溫度(239℃)都高于國內(nèi)外同類產(chǎn)品。此外,電池1C容量達(dá)到184.6mAh/g,循環(huán)1000次容量保持率為93.8%,60℃下存儲30天,容量保持率和恢復(fù)率分別為91.1%和97.6%,均高于同類產(chǎn)品。這些參數(shù)意味著這樣的電池安全性更好、循環(huán)壽命更長。綜合權(quán)威評價,項目整體技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。
技術(shù)突破后,團(tuán)隊又著眼于將發(fā)明成果轉(zhuǎn)化為實實在在的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。從2016年開始,團(tuán)隊不僅與省內(nèi)企業(yè)建立合作,還把“手”伸到了省外。很快,這項技術(shù)在云南能投匯龍科技有限公司、深圳市雄韜電源科技股份有限公司等6家企業(yè)得到了應(yīng)用,3年間,為企業(yè)增收近6億元。成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用,不僅為企業(yè)增收,也促進(jìn)了云南本地資源優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢,更為全球范圍內(nèi)高能量密度、長壽命的儲能體系研發(fā)提供經(jīng)驗參考。
十余年間,從無到有,從“單槍匹馬”到“桃李滿天下”。回憶起技術(shù)發(fā)明的過程,張英杰感慨道:“我剛到昆工的時候,一臺設(shè)備、一個實驗室都沒有,甚至一個實驗桌都沒有,而現(xiàn)在,我們擁有了很好的基礎(chǔ)條件。”如今,走進(jìn)昆明理工大學(xué)鋰離子電池實驗樓,整齊陳列在櫥柜里的各式電池樣本和一瓶瓶高純試劑引入眼簾,身著“白大褂”的學(xué)生們在精密的實驗儀器間穿梭,甚至能看到樣板工廠。“我們讀書的時候,張老師已經(jīng)把平臺搭建得很好了,她說我們是‘拿著綢子布學(xué)裁縫’的一輩人。”段建國看著眼前的一切說到。
栽下梧桐樹,引得鳳凰來。張英杰先后牽頭成立了6個國家級、省部級科研平臺,組建起鋰離子電池研究團(tuán)隊、固體氧化物燃料電池團(tuán)隊、燃料電池研究團(tuán)隊、廢舊電池回收團(tuán)隊,團(tuán)隊成員來自五湖四海、各有千秋。目前,團(tuán)隊已擁有6名高水平學(xué)術(shù)帶頭人、9名中青年學(xué)術(shù)骨干、18名青年教師和實驗技術(shù)人員,培養(yǎng)出博士后6名,博士研究生15名,碩士研究生60余名。
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