高能电池材料与器件山西省重点实验室

　　在日常生活中，人们越来越离不开化学电池了。最近几十年，作为一种常见的储能设备，电池无论是材料、外貌、结构还是性能都历经了翻天覆地的变化。以常见的手机为例，推动它从“大哥大”时期的“一块砖”到现代的“一张纸”，最主要原因就是电池技术的进步。当下这一变革仍在继续，还可能成为未来能源转型的关键一环。近年来，我省作为传统能源大省，在积极保障煤炭等传统能源稳定供应的同时，也时刻关注着新型能源绿色低碳转型相关技术的发展，于是组建了高能电池材料与器件山西省重点实验室（以下简称“实验室”）。实验室依托中北大学，山西中科华孚电池研究总院有限公司为合作共建单位，面向山西相关产业行业重大需求，聚焦高能电池关键材料，开展应用基础性研究，注重理论、方法与技术创新，带动省内化学储能设备高质量发展，为我省由传统能源大省向新型综合能源大省的转型示范提供了技术支撑。

突破性能“冰点” 解决化学储能技术顽疾
　　近些年，随着国内新能源汽车产业的高速发展，电动汽车销售占比越来越高，但是购置电动汽车的人始终有这样的顾虑：冬季低温天气下，电动汽车续航里程会有大幅衰减，会不会影响日常车辆使用？这个问题，也让电动汽车用户产生了“续航焦虑症”。此外，电动汽车低温下行驶还容易出现动力明显不足、驾驶体验差等问题，极大地影响了电动汽车用户冬季驾驶体验，其主要原因就是电动汽车的电池在低温下性能下降。电池不耐冻的特性不止体现在电动汽车上，几乎所有依靠电池供电的设备都会受到低温影响，可以说“抗寒”是电池研发领域的一项重大课题。
　　针对这一业界难题，实验室主任张立新率先给出了解决方案。作为高能电池关键材料结构设计研究团队学术带头人，他带领实验室团队研发了质量轻、比能量高、寿命长，且具有常规锂电池的安全和存储功能的低温锂电池。这种电池的宽温区在50℃~70℃，最高放电倍率达到3C，可在极低温度和较高温度环境下正常使用，其材料方面采用了独特的电解液和负极材料配方，电解液在低温环境下不易凝固，保证了电池良好的循环性能和倍率性能。相比其他产品，它的能量密度高达210Wh/kg、电池内阻小于14.5mΩ、1C放电容量93.8%，各方面性能均超过竞品。
　　该超低温电池解决了国内军工航天、电力通信、公共安全、医疗电子、极地科考、寒带抢险、车载设备、铁路、船舶、机器人等方面在极寒条件下的电池续航问题。除此之外，去年合作企业生产应用实验室研发的电芯，成为小米的合格供应商，目前主要供应其两款产品，产品出口到韩国、日本和欧洲等国家，相关成果为我省电池研发工作树立了新标杆。

探索材料极限研发 石墨烯制备新工艺
　　如今，电池的应用已渗透到各个层面，不同行业、不同环境对电池性能也有着差异化需求，电池应该根据应用情况，在能量、功率、循环寿命、成本、安全性等各种性能之间进行调整，作为省内电池研发领域的顶尖科研机构，实验室的明星产品并不局限于超低温电池这一狭小领域。
　　实验室从需求和问题出发，将相关问题进一步解构分析，提出高能电池关键材料结构设计、高能电池电解质结构性能调控、高能电芯制备及器件设计三个方面研究作为主攻方向，并分别开展研究。这其中，高能电池关键材料结构设计又包括三元体系电极材料的结构设计及制备、石墨烯基电极材料的结构设计及可控制备和新型电池体系材料的结构设计及制备。
　　实验室就针对高镍三元层状结构电极材料的问题，提出通过控制材料的组成、微观结构（纳米化和多孔结构），以及和电解液的匹配来提高产物中Ni的平均价态、调整锂过量，降低锂镍混排程度等进行改性，研究开发石墨烯制备新工艺，实现低成本可控制备电极用石墨烯材料，为高性能电池进一步降本增效提供了发展空间。

挖掘结构潜力 系统性提升电池性能
　　在高能电池电解质结构性能调控方面，实验室研究低温/高电压用电解液的结构设计及制备和固态电池电解质的结构设计及制备，旨在开发出功率密度高、低温放电性能优异的新型锂离子电池，该技术在前期超低温电池研发中的成效已初见端倪。这并不是研究的终点，实验团队仍在持续探究该技术的巨大发展潜力。
　　据张立新介绍，目前，实验室已实现了石榴石型固态电解质锂镧锆氧复合氧化物（LLZO）的低温低维可控制备，在保证粉体一致稳定合成的前提下，有效降低了制备能耗。同时，在固态电解质LLZO应用中，一方面，成功开发了浆料制备工艺，为固态电解质乃至电池的个性化3D打印成型奠定了坚实基础；另一方面，建立多孔固态电解质制备方法，过渡层包覆方法，有效地提高了固态电解质与电极材料的接触面积；防止了固态电解质与二氧化碳和水气的接触，使包覆过渡层的固态电解质离子导电性显著提高。
　　在高能电芯制备及器件设计领域，实验室团队也有颇多进展。科研人员通过对高能电芯制备关键技术、柔性/固态储能电芯组装与应用性能和电池管理系统设计和开发，研发了圆柱形锂离子电池自动化转运夹具、圆柱锂电池的分选设备和多类型锂离子电池组管理系统的健康状态和剩余寿命预测方法等（简单罗列几个代表性成果）。
　　这些研究进一步揭示了电池的内在物理化学过程，探索了化学电池的性能极限，并且为新一代高性能电池设计与制造提供了理论依据。

汇聚产业人才推动 电池产业跃上巅峰
　　随着电池性能的持续提升，电池生产研发端的工艺复杂度、技术先进性也在快速上升，要想走向行业顶峰，就需要高端人才做强大的后盾。实验室自成立以来，不断壮大人才队伍，目前已组建起一支由54名固定人员组成的，从事电化学储能材料及器件领域的人才培养、科学研究、产品开发和工程技术研究队伍。实验室还聘请省内外相关领域专家12人组成技术委员会，其中包括“国家杰出青年基金获得者”、国家优秀青年等人才，为实验室技术研究和发展提供支撑和指导。
　　2018年以来，实验室团队共发表SCI高水平论文93篇，共获得授权发明专利13项。实验室与省内外新能源相关企业，建立了广泛的产、学、研合作，基本涵盖了电化学储能材料及器件的制备、结构分析和性能表征所需要的设备。部分测试仪器已进入中北大学实验共享平台，为科研人员提供必要科研条件。
　　张立新表示，实验室未来将以满足山西省相关产业行业的重大需求为己任，深入开展高能电池关键材料研究，推动基础性研究的应用发展。加强高能电池核心材料的研究，提高电池的能量密度、循环寿命和安全性能为目标，为山西省的新能源产业提供关键支持；探索新的能源储存技术，如固态电池等，以解决能源储存领域的技术难题，为实现可再生能源的高效利用提供技术支持；积极与山西省内外的相关产业企业合作，促进科研成果向实际生产力的转化。实验室将在高能电池材料与器件领域发挥重要作用，为我省新能源高质量发展提供支持。

来源：山西科技报新媒体