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车子资讯6月13日报导 6月12日，2021年第十三届华夏车子蓝皮书论坛的第三天。下午，上海交通大学机械与能源工程学院能源电池探讨所所长、致远学院常务副院长章俊良做了题为“低铂能源电池的技艺挑战和应对战略”的专题演讲。

之下是他的演讲实录：

尊敬各位嘉宾，媒体友人们，大伙下午好！

十分高兴有机会在这边做一种汇报，和大伙有个交流，十分感谢咱们贾可博士和钱老师的邀请，这是咱第两次参与这种会议。

咱今日的汇报题目是“低铂能源电池的技艺挑战和应对战略”。

起首推荐一下咱们探讨所，上海交通大学能源电池探讨所成立于1998年，也是国家内部第全家在高校成立的不业余能源电池探讨机构，具有讲席教授1人、教授2人，副教授15余人，咱们探讨范畴包括质子交换膜能源电池、固体氧化物能源电池、锂电池和储能电池等，探讨不业余范畴涵盖电化学、催化剂、要害资料、电池部件、体系开发等方面。咱们的探讨百分之八九十是聚集在质交膜能源电池上的。

探讨所里有涵盖催化剂、膜电极、电堆、体系方面的表征、测试、开发和集成的能力，像催化剂咱们有没尘实验室、各式剖析仪器。

关于能源电池来讲，今日在座有好多行家，本来是氢能板块内部一种中枢步骤，上游制氢到中游储氢加氢，再到下游的用氢，本来是依赖于咱们的能源电池技艺和产物的水准。在能源电池内部，质子交换膜能源电池是最活泼的，由于它具有的优势十分明显，也便是它可行适用于车用，也适用于大范畴的工况浮动。

关于能源电池来讲，优势最重要的是效能高。比较内燃机来讲，它是绿色没有污染的，也被以为是终极燃料解决方案，它的效能在60%以上，负载响应十分快，能量密度十分高。

最近大伙注意到了，能源电池车子充氢五分钟，可行跑一千千米以上。它的要害资料，尤其是电堆内部，质子膜、碳纸、催化剂、双极板等。

关于电堆到体系，从电堆内部来讲，刚才提到了，有膜电极组件、极板、流场、端板，另有其它少许协助部件。

这种本来是跟咱们平常见到的内燃机事业形式十分相近，也是一种开放体系。跟前面大伙谈到的锂电池第一大的不一样，锂电池是一种封闭体系，而能源电池是一种开放体系，这也就形成了它的好多要害难题、要害矛盾。能源电池体系相对繁杂，技艺壁垒相对更高。

关于能源电池来讲，全部工程体系皆是一样的，必需要把全部的内部的素材、资料、部件能够集合起来考量，做一种工程改良，才能开发出高素质的、高技艺的能源电池电堆体系出去。

例如说你须要关心催化剂来下降它的电化学的膜化，也要对流场设置和欧姆极化都要关心，终归会反应到电堆组装、电堆功能上来，这是关于能源电池开发方位来讲，它是一种全链条、全体系的集成。

关于世界上来讲，日前能源电池的生命应当是曾经达到了车用的耐久性，这是美国UTC企业发表的能源电池用于公交车体系的，可行达到三万小时，是以能源电池的生命是越来越高，应当是可行满足车子的运用请求。

可是能源电池本来日前第一大的一种难题是它的本钱，从2020年到2021年，本钱指的是批量制造的本钱。本来跟远期的大范围资产化仍是有一丝差距，终归是须要达到30美元/千瓦的水准，才能够挨近内燃机的水准，可是这边面降本钱的路径也是十分清楚，包括要害资料、要害部件，比如催化剂、质子膜、碳纸、双极板的本钱，以及极流板、冷却器这点皆是须要降本钱的。

这边面第一大的本钱下调希望值是在催化剂和膜电极，由于关于全个电堆来讲，催化剂加膜电极在一同可行占到本钱的70%以上，这是日前本钱难之下降的第一大原因。是以催化剂和膜电极本钱下调是未来能源电池第一大的阻碍难题。

为何会这样？在未来制造好多套的时刻，可能此刻大伙都不太以为催化剂是一种难题，甚而有人跟咱说，日前催化剂占全个电堆的本钱还不是很高，例如制造一千套的时刻，它不过在20%到30%之中，可是假如制造量增添，例如到50万套或许100万套，催化剂单一本钱到电堆内部是40%以上，加上膜电极组件，另有质子膜，另有封装，可行达到60%以上的本钱，因而下降催化剂以及膜电极本钱是能源电池未来进行的一种要害的技艺。

关于催化剂来讲，第一大的难题便是它内部有到贵金属铂，便是咱们平常说的铂金，是以未来必定要采纳低铂，或许超低铂催化剂，甚而是未来的非铂催化剂，它才能够达到未来的运用请求和本钱的请求，这种内部，同一时间采纳超低铂的时刻，你也须要提升它的膜电极功能和生命。

2000年的时刻，是1克/千瓦时的铂金催化剂，一台车能源电池启动机功率假设是100千瓦，大概须要110克，到2008年是0.6-0.8克/千瓦，2020年左右降到0.2克/千瓦，未来能不行降到0.1克/千瓦，日前也不确定，也是资产界一同努力的指标。

从技艺路径来看，最早在2000年左右，那个时刻是纯铂颗粒，直径可行做到3-4纳米，甚而2-3纳米；2008年的时刻，世界上曾经最初采纳铂合金技艺，可行使铂的运用量下调一倍。

今日仍是在沿用铂金催化剂，最高可行做到0.2克/千瓦，曾经到极致了，再向下走是甚么路径？这便是今日能源电池一种进行遇到的第一大的技艺阻碍，由于你本钱不下调下去的话，它的本钱不容易跟内燃机，甚而今日的锂电池来相比。当前的水准是0.2-0.3克/千瓦，长久的指标应当是低于0.1克/千瓦。

这边面做了一种容易的计算。例如咱们全世界铂年产量大概是180吨，假如这边面20%拿出去做能源电池催化剂，这可能对铂金市场的冲撞不至于很大，由于一朝这种做起来，内燃机车子三元催化器中的铂就能转到能源电池内部用了。

例如以第一代技艺，铂碳催化剂，100千瓦能源电池启动机须要50克铂，也便是说你可行制造72万辆车，假如是第二代技艺，也便是今日世界上用的相比多的合金技艺，如果20克/100千瓦，可行制造180万辆车。

假如用第三代技艺，便是咱们一直开发的这种技艺，原子单层催化剂，可行做到只用5克/100千瓦，可行制造720万辆车，这种应当可行称之为批量制造了。终归能不行做到1克/100千瓦，假如能够实现，就能制造3600万辆车。

大伙可能会料到，铂用量降低到底带来甚么难题？这种也是从技艺方位来解剖它的低本钱，低铂来用于车子，到底有甚么难题？关于车子利用来讲，假如铂载量下调，难题马上来了，第一种是难以满足高功率输出；此外一种是没有办法实现长生命运转，另有一种是不行适应繁杂运转工况。

它的原因好多，可是最最重要的的矛盾，起首是大电流区功能急剧恶化；其次是催化剂衰减提速；第三是零增湿/低湿要求下离子电阻大幅增添。

从咱们这种团队的方位来讲，咱们围绕这三个难题，也发展了长时间的研发，事业也是联合上海交通大学一同来做技艺研发。

针对刚才提议的三大难题，咱们发明有几点解决方案：一是具备超低传质阻力的新款低铂合金膜电极；二是新款抗腐蚀铂合金催化剂及其批量化制备技艺；三是憎水性梯度分布的非均质膜电极叠层制备技艺。

咱们也建成了国家内部首条车用能源电池低铂合金膜电极制造线，2020年累计生产膜电极26万片。

从更底层的技艺来讲，容易说一下，为何能源电池采纳超低铂的时刻，会带来难题，最最重要的是两个难题，一种是电催化能源学和传质能源学都不行满足请求。

例如它的铂载量下调至0.05毫克/平方cm的时刻，电极内部传导质子的阻力达到全个催化层传质阻力的77%，而传质阻力的增添干脆作用到电压下调。

直观来讲，从铂载量从0.4毫克/平方cm下调到0.05毫克/平方cm的时刻，它的传质阻力增添70%以上，这边面的解决法子便是离子的建立，以及电极内部和极板之中的适配。因而关于强化对流，提升传质阻力，下降极下传质阻力，或许提升排水能力是能源电池走出低铂化的要害点。

咱前面谈到第一代、第二代、第三代的催化剂难题，第一代是纯铂，第二代是合金颗粒，第三代是核壳构造颗粒。第三代把铂的用量可行说曾经降到极致了，假如再要提升它的活性，下降它的用量的话，只能是在第三代根基上，使单个铂原子的活性接着提升，那是咱刚才提议的终归的指标，便是降到1克/千瓦，假如能够实现，是可行实现能源电池范围化利用的。

关于第一代、第二代此刻曾经实现资产化了，第三代此刻还在开发，这是咱们开发进程中的少许数据，咱们第三代催化剂跟第一代比，它的品质和活性从0.13提升到1.45，提升了十倍以上，应当是可行满足能源车子运用的请求。

同一时间咱们颗粒的匀称性也做得十分好，由于它请求提升活性的同一时间，还要提升稳固性，稳固性有个来自便是催化剂颗粒尺寸是绝对的，唯有绝对，它的全个衰减就会削弱，由于每个颗粒都长得相当，衰减就不会显露难题。

除了刚才催化剂的活性，它的外表积怎样提升，一种是采纳活性化，第二个是采纳原子单层，此外一种相当大的难题，也是最近发觉出去的，有是在电极内部，质子传递也是一种十分大的难题，容易来讲，便是电极内部的质子传递是膜内部电子传递导电率非常之一之下。

对这种难题，咱们也是长时间的开发，把它改良，做到可行扶持低铂和超低铂的利用。咱们把这种颗粒和质子膜在电极内部的导电难题联合起来，做成一种非对称的电极，在不作用它功能的同一时间，可行提升它的耐久性。

咱们日前单批次可行做500克催化剂，制成膜电极，车用工况下已稳固运转超越8000小时，预测生命超越1万小时。

这种名目咱们达成了车用能源电池低铂合金膜电极微观传质、电荷传导、资料衰减方面的理论突破。造成了高功率密度、长生命运转、适应工况运转。

咱们昨年得到了华夏机械产业结合会组织的鉴别，具备自助常识产权，研发了新款低铂膜电极，达到世界领先进步水准，单位能源电池电堆功率的铂用量技艺目标世界优先。

咱们也得到国家内部外同好的绝对高度评价，这是学术界的少许同行评价。

除了膜电极之外，咱们探讨所另有一种合作企业也在做流场设置，十足是正向开发，把内部的极管、分馏机，另有上游、中游、下游怎样实现水准衡和热平衡，来加强脊下对流，提升气体传质。从电堆方位来讲，咱们具有电堆的开发能力，日前开发的电堆有两款，一种是75千瓦，一种是150千瓦。

这是咱们实验室的资料，单电池到短电堆到长电堆的体系测试能力和开发能力。

关于未来来讲，刚才提到了，要实现小于1克/100千瓦，能源电池就能实现3600万辆车的制造，那一律是大量量了，还须要做之下这点事，便是新款催化剂、新款离聚物、强化传质，抗腐蚀金属极板，这是未来须要聚集的范畴。

能源电池资产化曾经是映入了商业化的引入期，咱们须要愈加努力，从追赶到并跑，终归到领跑。这边面须要膜电极极板、电堆配合化的设置，一同同步开发，才是未来能源电池进行的方向。

十分感谢国度当然科学基金委、科技部以及上海市科委、上汽团体长久以来的经费扶持，谢谢大伙。