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春华秋实:固态电池准“独角兽”将改变什么

iNews 2022-08-01 14:55:00



武汉新能源研究院,已在创新奔跑中,步入第六个年头。


2016年,我们背靠华中科技大学电气学院、能源学院等多个优势学科,以成果转化为核心使命,市校共建了武汉新能源研究院。象征新能源之花的马蹄莲大楼,成为了光谷乃至湖北的创新地标。


过去六年,新能源研究院一直围绕两个大的方向性任务不懈探索:清洁能源的规模化利用和传统能源的清洁高效利用。一批重塑未来格局的源头创新,在这里发生;一批高质量的科技成果转化项目在这里崭露头角。


当前的武汉已全面吹响争创综合性国家科学中心、国家科技创新中心的号角,并启动建设光谷科技创新大走廊、东湖科技城,一批大科学装置规划,都与新能源密不可分。可以说,这是一场关于“新能源之都”的角逐,而如何用好新能源力量,共创低碳中国,更是未来城市角逐的主战场。


2022年,我们带着「INEW能见」专栏来了,在这里,每周和你分享我们的创新故事,能见=看见,能源未来。新能源创新发展之路,道阻且长,这是我们的使命,更是新的长征。



用活“四不像”,助推“纸变钱”


既是大学又不完全像大学;既是科研院所又不像科研院所;既是企业不完全像企业;既是事业单位又不完全像事业单位——这类以工业技术研究院为代表的新型研发机构,被形象的称为“四不像”机构。


一家工研院,一条产业链。


推动科技成果转移转化、走向市场,让“纸变钱”,解决“科技与经济两张皮”难题,同样也是武汉新能源研究院最核心的任务。


经过5年探索,武汉新能源研究院搭建了三种成果转化模式:


一是研发中心模式。该模式通过市场调研和专家咨询识别,以高价值技术领域为方向,与国际知名研究机构或研发团队,共同组建新能源领域的研究中心。该中心以产业化为目标,对接技术需求,解决行业问题,形成一系列的研发成果。


二是事业部模式。该服务模式以技术产业化为目标,重点针对已完成实验室研发阶段的技术,支持以研发团队为创业主体,在众创空间成立产品研发事业部,借助武汉新能源研究院的人才服务、技术服务与政策服务等,完成工程样机和产品试制,最终实现市场化。


三是项目公司模式。该服务模式以人才为基础,针对技术成熟度较高,且有明确市场前景的项目,通过提供无形资产作价评估和投融资服务,成立独立法人公司,入驻众创空间,持续提供人才引进、专利申报、技术交流、政策落实和物业配套等服务。


由武汉新能源研究院、华中科技大学、利物浦大学三方共同组建的中英纳米能源材料研究中心,已全面完成实验室建设,产品性能达到国际先进水平。根据能源院制定的产业化计划,促成这项华中科技大学知识产权作价600万元成立公司,在血液净化、净水、储氢等领域,与武汉仝肝公司、同济医院、青山水厂及恒天集团开展商用合作。


武汉新能源研究院与程时杰院士团队合作开发的“安全型高能量密度固态电池”,在能源院大力推进下已顺利完成中试,并迅速对接社会资本完成该项目的成果转化,融资金额达6000万元。


围绕新能源国家专业化众创空间和新能源科技企业孵化器两大国家级平台,目前武汉新能源研究院在孵企业达58家,引进力度进一步加大。



突破锂电池储能核心电解质材料
固态电池准“独角兽”将改变什么


锂电池在我们的生活中无处不在。


小到一块手机电池,大到电动汽车的驱动电池,锂电池比老一代铅酸电池拥有更小的体积、更轻的质量和更高的能量密度。但是,锂电池同样也有令人头痛的缺陷,比如易燃易爆的安全隐患问题,以及和铅酸电池一样的环境污染问题——一颗小小的纽扣电池,足可污染60吨水。


受限于安全问题,锂电池在军事、航空等诸多领域,迟迟无法大规模应用。而其易燃易爆的根源,就在电池所使用的液态电解质。电解液通常到72℃便会发生气化,在电池内部的封闭空间里,外部温度一旦大幅提升或发生撞击,储存的能量便会失控导致急剧发热,引发燃烧和爆炸。


有没有一种办法,能让锂电池在保持性能的同时,杜绝易燃易爆的安全隐患?


在华中科技大学电气与电子工程学院程时杰院士团队,博士生导师曹元成教授的固态电解质电池技术,通过核心电解质材料的突破,用阻燃的固态电解质替代了液态电解质,即使用针反复扎电池,锂电池也不会爆炸。


这一极具市场前景的科技成果,让成果转化而创立的武汉瑞科美新能源有限责任公司成为武汉新能源研究院所有入孵企业中,估值最高的准“独角兽”。


“驯服”电解质


2006年,曹元成从华中科技大学半导体量子点材料方向博士毕业。2007年,他赴英国诺丁汉特伦特大学在欧盟第六框架协议项目资助下进行博士后研究工作,从事功能性纳米材料、新型聚合物材料方面的研究。此后,又在纽卡斯尔大学担任了4年的高级研究员从事新能源技术开发,研究新型固态电解质材料设计合成与应用。

“在英国的七八年间,正是欧盟能源结构调整的关键时期,我参与了几个重要的新能源专项,这些最新的能源变革方向,对我后来的科研与产业化思路影响很深。”他说。

2014年,曹元成回国后,一头扎进了本征安全、高比能的新型储能技术及其产业化上。当时,在席卷全球的新能源风潮下,特斯拉的第二款汽车产品Model S已经横空出世,国内新能源汽车万马奔腾。一块锂电池,正在驱动一个个市场和梦想。

“市场越大,也意味着锂电池带来的潜在风险越大。”曹元成明白,要解决锂电池的安全性痛点,必须首先“驯服”电解质。

华中科技大学电气与电子工程学院汤舜博士,是曹元成团队的核心研发人员之一,主要负责锂电池固态电解质的研发。2017年,固态电解质材料实现突破。

“你看,这团像面团一样的白色材料,就是我们研发的复合型固态聚合物电解质,主要是一些聚醚类的高分子材料。”他用手拉伸了一下说,这个特殊材料非常柔软,弹性很好,能够和电池的正极或负极无缝贴合。

锂电池中的液态电解质是一种透明液体,有机物就像酒精一样,一点就着。但当汤舜拿出打火机去烧固态电解质时,却无法点燃。

他解释说,一块电池有正极和负极,正负极之间的电解液,相当于一条河,是在充放电时,供锂离子来回“游泳”穿梭用的。没有这条河当介质,锂离子就游不过去。可在这条河,如同装满了酒精,温度稍微高一点就要气化,碰到一点火星轻则燃烧、重则爆炸。现在我们重新修了一条阻燃的“水泥路”,锂离子不用走“水路”照样能在两极往返,再没有易燃易爆的后顾之忧。



“阻燃是通过材料的变革来解决的,固态电解质中没有小分子,也没有流动性,即使有瞬间温度的骤升或剧烈的碰撞,也不会气化燃烧。”

为了更好地解决聚合物固态电解质的瓶颈问题,曹元成教授课题组,还联合武汉理工大学麦立强教授课题组,通过表面改性纳米颗粒交联点的引入、嵌段聚合物的键接,以及链段间自互补氢键系统的构筑,创新性设计出了一种具有柔性和超界面稳定性的新型交联纳米复合聚合物固态电解质。

这项发表在国际学术期刊《Nano Energy》上的研究工作,为开发适用于高能量密度、高安全性金属锂负极电池的电解质,提供了新的思路。


逾亿估值背后的“三板斧



除了在华中科技大学担任教授,曹元成的另外一个身份,是武汉瑞科美新能源有限责任公司董事长。


“一旦成立企业,就要以市场为导向,不能解决市场痛点的技术和成果,就没有未来。”他直言,瑞科美目前手握三个核心技术,对应的是锂电池在市场化中的三大行业痛点:


第一个关键是拥有固态电解质技术,解决的是安全问题;第二个关键是固态电解质技术突破之后,量产和工艺路线问题,以及如何降低成本;第三个关键是怎么解决锂电池的污染问题,最终实现关键元素的循环利用,解决持续发展问题。“这样一来,从成果到市场,再到可持续循环发展模式,就形成了一个闭环生态。”


安全性解决之后,锂电池应用领域将得到极大拓展,诸如军用。出于安全考虑,军事潜艇上多使用铅酸电池,体积大、质量重,一旦改用锂电池,空间和重量仅为铅酸电池的1/3。腾出的空间,可以用来搭载更多的武器弹药和生活物资。


除了易燃易爆这个弱点,瑞科美还攻克了锂电池“怕冷又怕热”的大难题。


一般情况下,锂电池的电解液超过35℃或45℃就会变得不稳定,容易自燃,在新疆、沙漠等炎热地带,新能源车根本不敢进入。而固态锂电池的耐热性,即使在55℃至75℃的环境下,也能安全工作。


此外,其开发的耐低温锂电池,可在零下-55℃至-75℃的自然环境中工作。“离子扩散与温度有关,温度越低扩散越慢。但即使是-75℃,电池仍能保持50%的电量。”曹元成说,把温度范围扩宽,电池就不会受地域限制,可以卖到世界任何地方。


由于固态电池与传统液态电池的产线不一样,整个工艺匹配和生产装备,都要重新摸索。这对产业化团队而言,是一个极大挑战。


曹元成表示,现在许多锂电池在使用后被直接丢弃,其污染主要来自电解液中的六氟磷酸锂及重金属。氟化物污染环境后,基本难以代谢降解,会在生物体内持续积累,从污染的水、污染的鱼类最终到人体。


“我想解决的另一个影响更深远的痛点,就是污染问题,是如何让锂电池循环利用。”他说,研究固态电池安全性的同时,他一直在同步研究回收问题。电池有寿命,但元素没有。目前,其锂电池正负极粉体回收率,可达99.9%,回收提纯之后,可无限循环用下去。


他还算了一笔账:假设投放市场100块固态电池,每块都可以回收利用,不仅可以大幅降低生产中对进口矿石的依赖,降低环境污染,还能节约企业成本。譬如一个新的电池包需要1000元,企业用完后可以折价200元再回收再生,再买新电池只要800元。“让买方、卖方和生态都能从中受益,在解决行业痛点的过程中建立商业模式,就能成就公司的核心价值。”