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黄金城彩票潘锋:新材料创新方式变革--动力电池

  潘锋:谢谢组委会的邀请,我的题目做了一些相应的改动,主要是介绍两大块东西,就是我们锂离子电池材料在新时代、新的需求下面,我们有没有一种新兴的创新变革的方法?现在国家在“十三五”期间搞了一个材料基因组,跟电池相关的是第六项,是材料基因组与全固态电池。

  我们主要是看一下用创新基因组的研究方法来研究一下动力电池的材料、传输之间的相互关系。

  什么是材料基因组?是不是材料的研究可以增加理论的部分,从材料的设计开始。能否设计和预测材料?

  最早的材料基因组应该就是我们的元素周期表了,第二个基因组,原来的概念是来自于我们生物的DNA,我们知道了它的一些排序就可以预测它的相关性能。从材料的角度来说,我们要知道材料的性能的话,我们要知道它的时空以及与物质之间的相互关系。

  如果要进行关键相关材料的设计和计算的话,首先要有一个物理模型、计算方法,我们需要知道它结构之间的相互关系,第二个是界面和体像。

  目前的材料基因组,国家的包括2014年美国基因组的《白皮书》里面讲到了,不仅仅是材料的计算,我们叫做高通量的计算和相关理论。第二个是高通量的检测、高通量的合成以及高通量的实验和理论关联起来的数据库系统。

  现在不是有一个阿尔法狗,人家可以进行深度思考嘛!我们现在材料基因组的研究方法就是通过学习材料来预测下一个材料。这是我们在电池里面,材料基因组的一些做法。

  我们这个学院叫做北京大学深圳研究生院新材料学院,我们座落在大学城里面,也是北大唯一的一个叫材料的学院。

  有幸的是,我们去年跟Argonne和德国以及新加坡大学等,由我们牵头组建了国家级的电动汽车与动力电池集材料的国际研究中心。所以,这张牌照可能是关于动力电池和材料国际研究中心国家级唯一的牌照,我们是负责单位。

  下面讲一下我们怎么通过大数据学习来看我们下面的正极材料、负极材料,当然我们现在还是非常初步的,下面我们会介绍一下围绕着正极、负极材料以及材料的一些基理,我们采用了一些实验和理论的对应关系去发现一些电池材料里面的规律。

  2、我们有两大目标,通过跨尺度学习知道材料从体像到界面,第二个通过机器学习来预测和帮助发现,现在只能是到帮助发现这个层面,从而来帮助材料。

  现在高通量检测的仪器是从原子、分子层面来看材料的构造,和电化学的性能,在原子层面可以去发现一些界面,等一下我会介绍。

  我们自己也制备了高通量的装备,比如说把SPS和单原子层级结合起来,同时我们可以从AFM去看一些这些膜的性能,我们也通过了3D打印的方法来打印电池。这个里面我可以介绍一下,这是我们在AEM上的一个成果,我们通过3D打印出来的很薄的电池我们发现磷酸铁锂、磷酸锰铁锂,我们可以在100C充电的情况下,达到它的理论容量,或者是颗粒在低倍率下面,在0.1C下面大概是170左右,在100C的高倍率下面可以达到100以上的容量。

  这是我们现在材料基因组设计的团队,有伯克利国家实验室搞计算的,还有搞数学的。目前大概有20几个人在做材料模拟和计算。这是我们北大比较强的地方,我们有自己的算法、模型,甚至是硬件和软件的系统。

  我们通过性能来研究电池的相关性能。我给大家一些例子,比如说一些材料的电子结构,界面结构,地面传输的一些结构。下面我就讲到了第二个主题,我们今天讲的对材料和界面的一些具体做法。

  这个硅酸铁锂材料离使用还比较远,但是基理还是比较有意思的,另外一个是磷酸铁锂。

  大家都说三元材料已经研究了十几年了,我们是系统的把所有的三元材料进行了研究,它是怎么扩散出去的,沿着怎样的路径扩散出去的。

  我们可以用一张图来总结所有的层状材料的锂是怎么扩散出去的?是决定了它的扩散速度?

  我们可以看到,它有两种扩散机制,当锂是满的时候,它没有空位让它跳跃。当锂大概有20%左右的出去之后,它也留下了一个四面体的位置,这上面是过度金属,所以他用这样一个方式跑了出来。同时,这个时候由于锂的突出,所以层间距就扩大了。

  在这里面我们把所有的三元材料分成两大类,第一大类叫镍等于锰,第二大类是镍不等于锰。

  我们可以看到它的周围环境,过渡金属价态度的影响以及层间距的影响,所以可以得出一个结论,622是所有系数里面最高的。

  为什么622的扩散系数,包括过低温性能是所有的三元材料里面最好的呢?是由于里程间距大。大家可以看到622是最大的,在我们的系统研究当中发现,622在所有的三元材料里扩散性能是最好的,这两个都已经进行了发表。

  2、只有一个电池材料来说,刚才已经讲了,3D的打印,我们在磷酸铁锂里面,我们可以实现100C情况下面还有100多的容量,那里面让我们进一步认识到锂电池的扩散性能实际上不仅仅是颗粒的扩散,还有很多更重要的是一个界面的行为。所以,在界面上有电子了离子的交换,界面的重构或者是扩散,会导致一个有极化的界面。我们就想,我们所有的电池都是加碳黑的,碳黑就像打针灸一样,一个大的颗粒上面周围有很多的点,这个点就是它的集化点,如果把这个集化点去掉,而是用一个东西把它捞出来之后,它接触的面积就扩大了。

  我们第一次用这个方法把三元颗粒网再一个碳管里面,你可以看到,第一次发现了532材料有一个很明显的峰,然后我们进行了相关的计算,就发现各个元素之间的通道。

  这个是比较惊讶的事情,所有人都认为锂离子电池的锂只有一层,我们有一次做实验,一不小心把它搞短路了,突然间发现它多出一个峰来。我们刚才做扩散动力学的都知道,锂有两个处理的位置,有一个是过道上面扩散的位置。所以,我们进一步的研究发现,这个锂在层状材料上锂是可以存两层的,在存两层的情况下面间距就扩大了。我们对所有的三元材料进行了反充的研究。大家可以看到,在两层的情况下面它开头的电压比较低,这个给了我们一个很有趣的启发,层状材料如果可以是两层的线。这是我们另外一个探索的途径,在什么情况下存两层才可以是稳定的。

  刚才又讲为什么高电压下它的衰减就增加了?是体像像变的原因,还是界面引发的像变原因?我们对这个材料的界面进行了研发,这个工作别人也做了,我们发现了什么?没有做过转换的话,界面到高一点的电压的话,它会跟电解液进行催化,催化了界面反应,之后镍就从四价变成二价,就变成氧化镍了,一旦这个循环产生,所有的界面就发生了象变。

  这些元素在三元里面也不是均匀分布的,在每个面上会分布不同的元素,这边可能是钴的分布。我们在烧结的过程当中实际上涉及到了元素的扩散和元素晶体和氧化还原环境的一个变化。

  另外一个,我们把所有的锂离子正极材料进行分类的话,大概分成三大类,第一大类八面体结构,第二类是四面体加八面体结构,第三类是纯四面体。纯四面体就是硅酸铁锂,它的好处是堆积密度很高。

  下面大家都知道,磷酸铁锂有α项,磷酸铁锂有200个象,但是我们发现了第二个项,是β项。

  我们知道磷酸铁锂会产生锂铁反位,这样就产生了三维的锂的通道。从辩证法来说,好的东西,但是不是绝对的好,坏的东西不是绝对的坏,就是有缺陷的帮助让不能导电的东西产生导电,这个是比较有意思的。

  磷酸铁锂的容量很高,但是我们第一次发现磷酸铁锂可以在三秒钟就把电池就传输完了,这为什么会产生?我们实现了1000C大概还有60多容量的结果,控制这个界面最主要的原因是它的这个界面。如果我们重构了这个界面,相当于你要脱四件衣服,在这个情况下就可以实现非常快的容量。