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車子資訊6月13日報導 6月12日，2021年第十三屆華夏車子藍皮書論壇的第三天。下午，上海交通大學機械與能源工程學院能源電池探討所所長、致遠學院常務(wù)副院長章俊良做了題為“低鉑能源電池的技藝挑戰(zhàn)和應(yīng)對戰(zhàn)略”的專題演講。

之下是他的演講實錄：

尊敬各位嘉賓，媒體友人們，大伙下午好！

十分高興有機會在這邊做一種匯報，和大伙有個交流，十分感謝咱們賈可博士和錢老師的邀請，這是咱第兩次參與這種會議。

咱今日的匯報題目是“低鉑能源電池的技藝挑戰(zhàn)和應(yīng)對戰(zhàn)略”。

起首推薦一下咱們探討所，上海交通大學能源電池探討所成立于1998年，也是國家內(nèi)部第全家在高校成立的不業(yè)余能源電池探討機構(gòu)，具有講席教授1人、教授2人，副教授15余人，咱們探討范疇包括質(zhì)子交換膜能源電池、固體氧化物能源電池、鋰電池和儲能電池等，探討不業(yè)余范疇涵蓋電化學、催化劑、要害資料、電池部件、體系開發(fā)等方面。咱們的探討百分之八九十是聚集在質(zhì)交膜能源電池上的。

探討所里有涵蓋催化劑、膜電極、電堆、體系方面的表征、測試、開發(fā)和集成的能力，像催化劑咱們有沒塵實驗室、各式剖析儀器。

關(guān)于能源電池來講，今日在座有好多行家，本來是氫能板塊內(nèi)部一種中樞步驟，上游制氫到中游儲氫加氫，再到下游的用氫，本來是依賴于咱們的能源電池技藝和產(chǎn)物的水準。在能源電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜能源電池是最活潑的，由于它具有的優(yōu)勢十分明顯，也便是它可行適用于車用，也適用于大范疇的工況浮動。

關(guān)于能源電池來講，優(yōu)勢最重要的是效能高。比較內(nèi)燃機來講，它是綠色沒有污染的，也被以為是終極燃料解決方案，它的效能在60%以上，負載響應(yīng)十分快，能量密度十分高。

最近大伙注意到了，能源電池車子充氫五分鐘，可行跑一千千米以上。它的要害資料，尤其是電堆內(nèi)部，質(zhì)子膜、碳紙、催化劑、雙極板等。

關(guān)于電堆到體系，從電堆內(nèi)部來講，剛才提到了，有膜電極組件、極板、流場、端板，另有其它少許協(xié)助部件。

這種本來是跟咱們平常見到的內(nèi)燃機事業(yè)形式十分相近，也是一種開放體系。跟前面大伙談到的鋰電池第一大的不一樣，鋰電池是一種封閉體系，而能源電池是一種開放體系，這也就形成了它的好多要害難題、要害矛盾。能源電池體系相對繁雜，技藝壁壘相對更高。

關(guān)于能源電池來講，全部工程體系皆是一樣的，必需要把全部的內(nèi)部的素材、資料、部件能夠集合起來考量，做一種工程改良，才能開發(fā)出高素質(zhì)的、高技藝的能源電池電堆體系出去。

例如說你須要關(guān)心催化劑來下降它的電化學的膜化，也要對流場設(shè)置和歐姆極化都要關(guān)心，終歸會反應(yīng)到電堆組裝、電堆功能上來，這是關(guān)于能源電池開發(fā)方位來講，它是一種全鏈條、全體系的集成。

關(guān)于世界上來講，日前能源電池的生命應(yīng)當是曾經(jīng)達到了車用的耐久性，這是美國UTC企業(yè)發(fā)表的能源電池用于公交車體系的，可行達到三萬小時，是以能源電池的生命是越來越高，應(yīng)當是可行滿足車子的運用請求。

可是能源電池本來日前第一大的一種難題是它的本錢，從2020年到2021年，本錢指的是批量制造的本錢。本來跟遠期的大范圍資產(chǎn)化仍是有一絲差距，終歸是須要達到30美元/千瓦的水準，才能夠挨近內(nèi)燃機的水準，可是這邊面降本錢的路徑也是十分清楚，包括要害資料、要害部件，比如催化劑、質(zhì)子膜、碳紙、雙極板的本錢，以及極流板、冷卻器這點皆是須要降本錢的。

這邊面第一大的本錢下調(diào)希望值是在催化劑和膜電極，由于關(guān)于全個電堆來講，催化劑加膜電極在一同可行占到本錢的70%以上，這是日前本錢難之下降的第一大原因。是以催化劑和膜電極本錢下調(diào)是未來能源電池第一大的阻礙難題。

為何會這樣？在未來制造好多套的時刻，可能此刻大伙都不太以為催化劑是一種難題，甚而有人跟咱說，日前催化劑占全個電堆的本錢還不是很高，例如制造一千套的時刻，它不過在20%到30%之中，可是假如制造量增添，例如到50萬套或許100萬套，催化劑單一本錢到電堆內(nèi)部是40%以上，加上膜電極組件，另有質(zhì)子膜，另有封裝，可行達到60%以上的本錢，因而下降催化劑以及膜電極本錢是能源電池未來進行的一種要害的技藝。

關(guān)于催化劑來講，第一大的難題便是它內(nèi)部有到貴金屬鉑，便是咱們平常說的鉑金，是以未來必定要采納低鉑，或許超低鉑催化劑，甚而是未來的非鉑催化劑，它才能夠達到未來的運用請求和本錢的請求，這種內(nèi)部，同一時間采納超低鉑的時刻，你也須要提升它的膜電極功能和生命。

2000年的時刻，是1克/千瓦時的鉑金催化劑，一臺車能源電池啟動機功率假設(shè)是100千瓦，大概須要110克，到2008年是0.6-0.8克/千瓦，2020年左右降到0.2克/千瓦，未來能不行降到0.1克/千瓦，日前也不確定，也是資產(chǎn)界一同努力的指標。

從技藝路徑來看，最早在2000年左右，那個時刻是純鉑顆粒，直徑可行做到3-4納米，甚而2-3納米；2008年的時刻，世界上曾經(jīng)最初采納鉑合金技藝，可行使鉑的運用量下調(diào)一倍。

今日仍是在沿用鉑金催化劑，最高可行做到0.2克/千瓦，曾經(jīng)到極致了，再向下走是甚么路徑？這便是今日能源電池一種進行遇到的第一大的技藝阻礙，由于你本錢不下調(diào)下去的話，它的本錢不容易跟內(nèi)燃機，甚而今日的鋰電池來相比。當前的水準是0.2-0.3克/千瓦，長久的指標應(yīng)當是低于0.1克/千瓦。

這邊面做了一種容易的計算。例如咱們?nèi)�世界鉑年產(chǎn)量大概是180噸，假如這邊面20%拿出去做能源電池催化劑，這可能對鉑金市場的沖撞不至于很大，由于一朝這種做起來，內(nèi)燃機車子三元催化器中的鉑就能轉(zhuǎn)到能源電池內(nèi)部用了。

例如以第一代技藝，鉑碳催化劑，100千瓦能源電池啟動機須要50克鉑，也便是說你可行制造72萬輛車，假如是第二代技藝，也便是今日世界上用的相比多的合金技藝，如果20克/100千瓦，可行制造180萬輛車。

假如用第三代技藝，便是咱們一直開發(fā)的這種技藝，原子單層催化劑，可行做到只用5克/100千瓦，可行制造720萬輛車，這種應(yīng)當可行稱之為批量制造了。終歸能不行做到1克/100千瓦，假如能夠?qū)崿F(xiàn)，就能制造3600萬輛車。

大伙可能會料到，鉑用量降低到底帶來甚么難題？這種也是從技藝方位來解剖它的低本錢，低鉑來用于車子，到底有甚么難題？關(guān)于車子利用來講，假如鉑載量下調(diào)，難題馬上來了，第一種是難以滿足高功率輸出；此外一種是沒有辦法實現(xiàn)長生命運轉(zhuǎn)，另有一種是不行適應(yīng)繁雜運轉(zhuǎn)工況。

它的原因好多，可是最最重要的的矛盾，起首是大電流區(qū)功能急劇惡化；其次是催化劑衰減提速；第三是零增濕/低濕要求下離子電阻大幅增添。

從咱們這種團隊的方位來講，咱們圍繞這三個難題，也發(fā)展了長時間的研發(fā)，事業(yè)也是聯(lián)合上海交通大學一同來做技藝研發(fā)。

針對剛才提議的三大難題，咱們發(fā)明有幾點解決方案：一是具備超低傳質(zhì)阻力的新款低鉑合金膜電極；二是新款抗腐蝕鉑合金催化劑及其批量化制備技藝；三是憎水性梯度分布的非均質(zhì)膜電極疊層制備技藝。

咱們也建成了國家內(nèi)部首條車用能源電池低鉑合金膜電極制造線，2020年累計生產(chǎn)膜電極26萬片。

從更底層的技藝來講，容易說一下，為何能源電池采納超低鉑的時刻，會帶來難題，最最重要的是兩個難題，一種是電催化能源學和傳質(zhì)能源學都不行滿足請求。

例如它的鉑載量下調(diào)至0.05毫克/平方cm的時刻，電極內(nèi)部傳導質(zhì)子的阻力達到全個催化層傳質(zhì)阻力的77%，而傳質(zhì)阻力的增添干脆作用到電壓下調(diào)。

直觀來講，從鉑載量從0.4毫克/平方cm下調(diào)到0.05毫克/平方cm的時刻，它的傳質(zhì)阻力增添70%以上，這邊面的解決法子便是離子的建立，以及電極內(nèi)部和極板之中的適配。因而關(guān)于強化對流，提升傳質(zhì)阻力，下降極下傳質(zhì)阻力，或許提升排水能力是能源電池走出低鉑化的要害點。

咱前面談到第一代、第二代、第三代的催化劑難題，第一代是純鉑，第二代是合金顆粒，第三代是核殼構(gòu)造顆粒。第三代把鉑的用量可行說曾經(jīng)降到極致了，假如再要提升它的活性，下降它的用量的話，只能是在第三代根基上，使單個鉑原子的活性接著提升，那是咱剛才提議的終歸的指標，便是降到1克/千瓦，假如能夠?qū)崿F(xiàn)，是可行實現(xiàn)能源電池范圍化利用的。

關(guān)于第一代、第二代此刻曾經(jīng)實現(xiàn)資產(chǎn)化了，第三代此刻還在開發(fā)，這是咱們開發(fā)進程中的少許數(shù)據(jù)，咱們第三代催化劑跟第一代比，它的品質(zhì)和活性從0.13提升到1.45，提升了十倍以上，應(yīng)當是可行滿足能源車子運用的請求。

同一時間咱們顆粒的勻稱性也做得十分好，由于它請求提升活性的同一時間，還要提升穩(wěn)固性，穩(wěn)固性有個來自便是催化劑顆粒尺寸是絕對的，唯有絕對，它的全個衰減就會削弱，由于每個顆粒都長得相當，衰減就不會顯露難題。

除了剛才催化劑的活性，它的外表積怎樣提升，一種是采納活性化，第二個是采納原子單層，此外一種相當大的難題，也是最近發(fā)覺出去的，有是在電極內(nèi)部，質(zhì)子傳遞也是一種十分大的難題，容易來講，便是電極內(nèi)部的質(zhì)子傳遞是膜內(nèi)部電子傳遞導電率非常之一之下。

對這種難題，咱們也是長時間的開發(fā)，把它改良，做到可行扶持低鉑和超低鉑的利用。咱們把這種顆粒和質(zhì)子膜在電極內(nèi)部的導電難題聯(lián)合起來，做成一種非對稱的電極，在不作用它功能的同一時間，可行提升它的耐久性。

咱們?nèi)涨皢闻�次可行�?00克催化劑，制成膜電極，車用工況下已穩(wěn)固運轉(zhuǎn)超越8000小時，預(yù)測生命超越1萬小時。

這種名目咱們達成了車用能源電池低鉑合金膜電極微觀傳質(zhì)、電荷傳導、資料衰減方面的理論突破。造成了高功率密度、長生命運轉(zhuǎn)、適應(yīng)工況運轉(zhuǎn)。

咱們昨年得到了華夏機械產(chǎn)業(yè)結(jié)合會組織的鑒別，具備自助常識產(chǎn)權(quán)，研發(fā)了新款低鉑膜電極，達到世界領(lǐng)先進步水準，單位能源電池電堆功率的鉑用量技藝目標世界優(yōu)先。

咱們也得到國家內(nèi)部外同好的絕對高度評價，這是學術(shù)界的少許同行評價。

除了膜電極之外，咱們探討所另有一種合作企業(yè)也在做流場設(shè)置，十足是正向開發(fā)，把內(nèi)部的極管、分餾機，另有上游、中游、下游怎樣實現(xiàn)水準衡和熱平衡，來加強脊下對流，提升氣體傳質(zhì)。從電堆方位來講，咱們具有電堆的開發(fā)能力，日前開發(fā)的電堆有兩款，一種是75千瓦，一種是150千瓦。

這是咱們實驗室的資料，單電池到短電堆到長電堆的體系測試能力和開發(fā)能力。

關(guān)于未來來講，剛才提到了，要實現(xiàn)小于1克/100千瓦，能源電池就能實現(xiàn)3600萬輛車的制造，那一律是大量量了，還須要做之下這點事，便是新款催化劑、新款離聚物、強化傳質(zhì)，抗腐蝕金屬極板，這是未來須要聚集的范疇。

能源電池資產(chǎn)化曾經(jīng)是映入了商業(yè)化的引入期，咱們須要愈加努力，從追趕到并跑，終歸到領(lǐng)跑。這邊面須要膜電極極板、電堆配合化的設(shè)置，一同同步開發(fā)，才是未來能源電池進行的方向。

十分感謝國度當然科學基金委、科技部以及上海市科委、上汽團體長久以來的經(jīng)費扶持，謝謝大伙。