復(fù)旦大學(xué)晁棟梁：開發(fā)高安全、低成本的新型水性電池

2021 年 10 月 28 - 29 日，世界科技青年論壇暨《麻省理工科技評(píng)論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”（TR35）全球-亞太區(qū)線下發(fā)布儀式在杭州未來(lái)科技城成功舉辦。本次活動(dòng)由杭州未來(lái)科技城（海創(chuàng)園）管委會(huì)指導(dǎo)，DeepTech 主辦。

作為 TR35 的 “老人”，復(fù)旦大學(xué)教授、《今日能源材料》副主編晁棟梁針對(duì)近幾年“安全水性電池”的市場(chǎng)現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)分享了自己的看法。

由于傳統(tǒng)化學(xué)能源的燃燒和資源的加速消耗，對(duì)能源和環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，二氧化碳排放量作為衡量環(huán)境問(wèn)題重要的指標(biāo)，引起社會(huì)各界高度重視。晁棟梁用可量化的具體數(shù)據(jù)，展示了最近這幾年一些重要國(guó)家和地區(qū)關(guān)于二氧化碳排放量的總結(jié)以及對(duì)未來(lái)預(yù)測(cè)。

從這些數(shù)據(jù)中可以看出，包括歐盟、美國(guó)、日本在 1979 年和 2007 和 2013 年就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了碳達(dá)峰的愿望。中國(guó)加入了 WTO 之后，發(fā)現(xiàn)碳排放量極具增高，從側(cè)面說(shuō)明了歐美等國(guó)家通過(guò)對(duì)中國(guó)貿(mào)易利差等策略，間接將碳排放轉(zhuǎn)移到中國(guó)，由此可見在中國(guó)加入了 WTO 之后雖然經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)得到了快速發(fā)展，但是帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也日益突出。

晁棟梁表示：“為了滿足 ‘碳達(dá)峰’ 的要求，我們可以快速地提高二氧化碳的排放量，讓它快速達(dá)到峰值，這樣必然會(huì)帶來(lái)更為嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，所以我們要綜合考慮，制訂更加妥善的策略緩慢實(shí)現(xiàn)‘碳達(dá)峰’，并且需要有節(jié)奏地控制二氧化碳總的排放量?！?/span>

解決電池技術(shù)等難題，尋找 “碳達(dá)峰” 目標(biāo)有效方案

為了應(yīng)該有碳排放給大氣環(huán)境帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，中國(guó) “十三五” 規(guī)劃及發(fā)改委相關(guān)意見提出，在 2030 年實(shí)現(xiàn) “碳達(dá)峰 ”這一宏偉目標(biāo)，晁棟梁建議個(gè)人和團(tuán)體要在日常生活和工作中不斷地實(shí)現(xiàn)碳的負(fù)排放，截至 2060 年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的愿望。

作為全球第二大經(jīng)濟(jì)體，中國(guó)一直致力于將可持續(xù)發(fā)展作為長(zhǎng)期的戰(zhàn)略目標(biāo)，隨著人均收入進(jìn)一步提升，中國(guó)市場(chǎng)乘用車銷量呈現(xiàn)井噴式的發(fā)展。2020 年初至今，像蔚來(lái)、理想、小鵬等新能源汽車廠商成為人們熱議的話題。

前不久，國(guó)務(wù)院發(fā)布了 2030 年前 “碳達(dá)峰” 行動(dòng)方案，預(yù)計(jì)要在 2025 年實(shí)施新型儲(chǔ)能裝機(jī)容量達(dá)到 3000 萬(wàn)千瓦以上，并且大力推廣電動(dòng)汽車發(fā)展，直到 2030 年電池汽車的保有量在 40% 以上。

然而，與能源汽車緊密相關(guān)的電池一直推動(dòng)和影響著能源汽車的發(fā)展，電池技術(shù)也一直在突破，最早有愛迪生發(fā)明的鎳隔蓄電池、鎳鉛酸電池、鎳氫蓄電池，一直到今天的鋰電池，目前最新的鋅基蓄電池以環(huán)保和安全著稱。

科學(xué)界對(duì)于鋰電池技術(shù)的探索從未停止，鋰離子電池方向研究者在 2019 年也獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)表彰了科學(xué)家分別在電池正級(jí)、負(fù)級(jí)以及產(chǎn)業(yè)化推廣中對(duì)鋰離子電池發(fā)展所做的貢獻(xiàn)。

當(dāng)技術(shù)進(jìn)一步升級(jí)，工業(yè)化產(chǎn)能繼續(xù)擴(kuò)大，自然會(huì)普及到大眾消費(fèi)者生活中。打開手機(jī)殼，在背面可以發(fā)現(xiàn)超大的軟包鋰離子電池，該類鋰電池主要包括正級(jí)負(fù)級(jí)和隔膜和電解液組成，研究顯示如果進(jìn)一步依賴鋰離子電池并且推廣，在近幾年之內(nèi)沒有太大問(wèn)題，但是到了 2030、2040 年鋰的提供給量可能跟不上發(fā)展需求。

針對(duì)這個(gè)需求晁棟梁在博士期間大力研究鈉離子電池的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)在全球內(nèi)占有量第四大的鈉元素是不錯(cuò)的替代物，因此發(fā)展鈉離子電池可以壓縮電池成本和實(shí)現(xiàn)電池的規(guī)?；l(fā)展。

晁棟梁表示：“這些其實(shí)還不夠，因?yàn)榘ㄤ囯x子電池和鈉離子有機(jī)電解液作為大量添加，當(dāng)遇到緊急情況包括高溫爆炸，不可避免發(fā)生燃燒或者爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)很多典型的案例，包括波音 787 和特斯拉 Model S，以及今年大家記憶猶新的在成都密閉電梯里面發(fā)生電動(dòng)自行車自燃、自爆?！?/span>

由于電池安全性問(wèn)題，給人們?cè)斐扇松砗拓?cái)產(chǎn)傷亡的事件時(shí)有發(fā)生，這些案例不斷提醒用戶“安全”才是電池安身立命的根本。

致力開發(fā)一系列新型高安全、低成本水性電池

談及電池安全性問(wèn)題時(shí)，不得不提南孚電池、超霸電池、金霸王等品牌，用水作為大量的電解液來(lái)保障電池安全性和降低其成本的案例。因?yàn)樗囊胧闺姵貕勖玫较拗?，以及能量密度得到了限制，?duì)水施加一定的電壓就會(huì)發(fā)生分解正級(jí)和負(fù)級(jí)分別產(chǎn)生氧氣和氫氣，這些副反應(yīng)不僅降低了循環(huán)而且也限制了電池的能量密度。

鋰電池目前向著水性鋰電發(fā)展，希望能較好地解決電池爆炸這一安全問(wèn)題，只是容量和壽命一直無(wú)法達(dá)到消費(fèi)需求。

鋅在這些體系尤為突出，不僅是因?yàn)閮?chǔ)量豐富低成本，而且在水的溶液進(jìn)行穩(wěn)定的電化學(xué)的剝離和沉積反應(yīng)，一定程度抑制水的分解。

所謂電池的能量密度主要與體系的電壓和容量有關(guān)，當(dāng)前水系電池的電壓局限在 1.8V 以下，如果想提高水系電池電壓，必須在這兩個(gè)方面做提高，當(dāng)前能量密度比較低，基本上都是在 100 瓦時(shí)每公斤以內(nèi)。

針對(duì)水系電池的容量和電壓的問(wèn)題，晁棟梁課題組在最近 2-3 年里分別從水系電池的正級(jí)、負(fù)級(jí)、電解液和隔膜角度進(jìn)行努力突破，開發(fā)出一系列高安全、低成本的新型水系電池。晁棟梁從不同角度介紹了如何改善水系電池，讓“金霸王”等傳統(tǒng)的水系電池恢復(fù)往日生機(jī)。

首先，從電壓的角度來(lái)看，水的分解電壓為 1.23V，但是通常高過(guò)這個(gè)電壓，因?yàn)闃O化的存在，可以看到不管在中性、酸性、還是堿性下都存在 HER 和 OER，所以水系的分解電壓包含了正負(fù)極的極化和電解液等界面的極化。該團(tuán)隊(duì)提高水系電池的電壓的做法是將 HER 往更負(fù)的地方推，OER 往更正的地方推，這樣會(huì)產(chǎn)生一個(gè) GAP 以填補(bǔ)兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性的反應(yīng)電對(duì)，從而形成一個(gè)高的電壓差。其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的電解 Zn-Mn 體系具有兩伏的高放電電壓，更低的成本，可以做成大規(guī)模的液流模式進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。該電池體系和其他的電池比，具有更高的能量密度和功率密度，成本和售價(jià)可以非常低。

從另一個(gè)角度來(lái)看，如何提高水性電池的容量也是其課題組近來(lái)一直致力于的研究方向，硫的容量密度可以達(dá)到 1000 毫安時(shí)每克以上，如果結(jié)合其材料低成本的特性，這樣的新興硫基水性電池可以解決能量密度的困擾。

該團(tuán)隊(duì)在電解液方面也做了研究，他們可以通過(guò)非常簡(jiǎn)單的方法在傳統(tǒng)的電解液里添加葡萄糖這類很便宜的添加劑，葡萄糖分子代替鋅周圍的六個(gè)水分子的一個(gè)，這種代替方式可以穩(wěn)定水的結(jié)構(gòu)，降低電解液分解風(fēng)險(xiǎn)，葡萄糖分子還可以吸附在鋅的表面保護(hù)鋅的負(fù)級(jí)防止枝晶的產(chǎn)生。

從器件的角度，該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)自上而下的合成方法得到富含孔道的微米級(jí)無(wú)鈷球鎳用作堿性鋅鎳電池，這樣的軟包電池技術(shù)在小的體積條件下實(shí)現(xiàn)了較高的能量密度，可以達(dá)到 150 瓦時(shí)每公斤以上。其演示了一個(gè)較小的軟包電池就可以驅(qū)動(dòng)小卡車模型，而且可以承受各種安全性破壞測(cè)試，并且可以正常穩(wěn)定的運(yùn)行。

在應(yīng)用層面，該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的新型電池已經(jīng)通過(guò)了第三方測(cè)試，指出其研發(fā)的水性電池具有更低成本、更好的壽命、更高的能量密度，具有與鋰離子電池相競(jìng)爭(zhēng)的潛力。其技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，今年一月份已建立了第一條生產(chǎn)線，并組織了大型的發(fā)布會(huì)，致力于推廣新型水性電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

晁棟梁表示：“預(yù)計(jì)在 2040 年，電動(dòng)汽車一定可以逐步取代傳統(tǒng)燃油車，這對(duì)于我們所研究的電池提出了更高的要求，如果在能量密度方面進(jìn)一步取得突破，相信安裝了我們研發(fā)的安全水性電池的電動(dòng)汽車將會(huì)跑得更遠(yuǎn)?！?/span>

-End-

整理：侯旭東