6月20日，由中國化學與物理電源行業協會主辦的第十一屆“中國國際電池技術交流會”在深圳會展中心開幕。本次交流會以“動力電池和儲能電池”為主題，重點關注了電池應用領域。全球50多位電池業界頂級專家亮相交流會并發表了主題演講，來自50多個國家和地區的800多名行業專家、學者和企業家與會。圖為來自北京大學的潘鋒教授在CIBF2014中國國際電池技術交流會上發表主題演講。

　　潘鋒：
　　我今天的報告主要包括三個部分。第一部分，介紹一下北京大學的新材料學院；第二部分，基于我們電池設計的基礎來論述三元材料的基理；第三部分，與大家分享三元材料的全面理論分析和計算。
　　應市長市政府的邀請，希望北大支持深圳的新材料和新能源的發展，所以三年前北京大學在深圳研究生院成立了新材料學院。主要聚焦清潔能源材料，特別是電池，我們大概80%的力量集中在研究電池材料的改進，以及下一代電池的概念、材料和體系的發展。
　　我們模仿國外大公司的做法，對新材料，特別是電池新材料進行研發，包括材料的設計、可控制備評測新材料，以及產業化的維度。我們在深圳的特色是面向產業，跟北大的本部有所區別。
　　我們最近建了一個工業研究院模式，有模擬計算、可控設備及基礎團隊的建設，所以我們想建設一個從材料評測一直到電池評測的系統。我們目前處于建設材料的初步階段，并自建了ALD，從原位可以看SAS，對電池的電化學的測量以及工程的測量。
　　深圳的動力電池發展迅速，也是動力電池產業聚集地，坪山13公里將建立成一個新工業基地，所以我們在這個地方成立了工業研究院，對深圳市的動力電池產業和電動汽車起技術支撐和服務作用。基于這些，我們聯合深圳的八家企業拿到了一個創新工程，其中一個重要的項目是到2015年實現150Wh 及180Wh每公斤的電池組，我們是其中的技術支撐單位。目前的材料來看，能夠符合要求的只有三元材料和三元改性材料，因此我們對三元材料的基理有了更深刻的認識。任何一個三元材料球狀是由大概200納米構成的小顆粒，如果做成電極在電鏡下觀察會看到有些碳黑被覆蓋了，有些碳黑沒有被覆蓋，加一些碳管后可以把顆粒跟顆粒連接，把極化性能降低一些。我們設想如果這個大顆粒，像我們在一個地方針灸一樣，三元材料就可能會引起一些相變，從而引發電池安全性問題。高電壓情況下也會引發相變。如果將三元材料不是點接觸，而是像繩子一樣連起來大面積接觸，然后把這些碳管網起來，會看到在這上面會形成小顆粒與小顆粒之間的連接，然后大顆粒和大顆粒連接，導致的結果是電阻的阻抗降低兩個數量級，這種情況下如果把電壓提高到4.8伏，真正讓電池顆粒感受到的電壓和實際加的電壓基本相等，在這種情況下它的釋放電可以達到250伏左右。所以這時可以把電池真正的容量很好的釋放，減少相變。
　　我們發現高電壓到450以后，碳管也可以作為活性物質。大家都在想怎樣提高電池的活性，所以我們還做了倍率性能實驗，大概15%左右，這時看C-V曲線，有很多峰疊加在一起，這是顆粒界面的不均衡造成的，加了碳管后，電壓從3.7伏左右開始升高，而后面是一個緩慢的過程。我們在將三元材料極化后，可以看到它的動力學行為。
　　我們有較強的團隊做材料基因組計劃，現在深圳市政府超算中心給我們1500個核，我們自己買了500個核，所以我們有2000個核的計算。所有的三元材料，實際上在3.8伏到3.9伏之間，只有0.1伏到0.2伏的區別。此外我們還可以計算容量，容量在140時只增加了0.1伏，這跟它的熱力學和動力學有關系。
　　鎳、鈷、錳的擴散不一樣，擴散最高的是錳，擴散也受倍率問題的影響。從結構和性能的相關性來看，在532的材料里面，離鎳最近的大概有2.79的距離，占了約50%，所以我們提出問題，在動力學上是不是離鎳最近的鋰先跑掉？我們進行了計算，基本上能夠確認，但從時間上很難測出到底哪個鋰先跑出來。
　　我們也論證研究了表面，我們把材料弄出來通過電鏡觀察，發現三元材料最大問題是在第一次充放電過程中會產生二價錳，實際上有一個100多納米的二價的錳，如果要實現三元材料長時間的安全性，就一定要防止二價錳原子暴露在電解液里溶解，一旦溶解就會產生氧化鎳，這樣就會一直從表面破壞到里面。我們的包覆材料的好處就是它會產生一些S2價膜，所以我們哈佛回來的一個教授自主搭建了ALD的系統。
　　我們系統地研究了鋰離子擴散的化學象圖。我們先使用理論計算，再用電化學方法進行驗證。理論技術的基本思想是要找出一個比較可靠的擴散模型。
　　我們現在系統的研究發現三元材料的三個元素分配以后，一般從高溫開始到外延產生擴散。三元材料的配比變化大概在一個數量級左右，就是它的擴散系數。理論上鎳的含量越高擴散系數越大，錳的含量越高，擴散系數越小。從溫度系數方面可以看到42的溫度系數比其他的要大。
　　最后講一下我們的電池材料。我們希望跟深圳現有的電池材料企業進行深度合作，他們提出來不太理解的問題，希望通過我們進行計算、測量等這些基理的研究發現突破口，實現幫助產業化和聯合產業化。我們最重要的任務就是基礎研究，希望可以在新型電池的研究中發現具有新概念的革命性的材料，這是我們平時在做的。我們現在的團隊接近100人，包括研究生、工程師、教授、博士后等交叉學科不同背景的研究人員。
　　謝謝大家。
 

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