成會明院士：雙離子電池安全、成本優(yōu)勢明顯，在儲能領(lǐng)域應(yīng)用前景可期
5月16日上午，第四屆新能源汽車及動力電池(CIBF2023深圳)國際交流會在深圳國際會展中心(新館)隆重開幕，會議為期兩天，會議的主題為“新周期·新應(yīng)用——動力電池的創(chuàng)新與拓展”。
在大會開幕式環(huán)節(jié)，本屆大會主席、中國科學(xué)院院士成會明做主旨發(fā)言。以下是成會明院士發(fā)言實錄。
中國科學(xué)院成會明院士：
非常感謝方總的介紹。剛才歐陽老師就熱管理做了非常精彩的報告，我也學(xué)習(xí)了很多。我本人其實沒怎么做動力電池，盡管我們的材料、負極、碳納米管在動力電池里有應(yīng)用，因為我是做材料的。我今天就給大家介紹一下我們在鋰電拓展方面的一點工作，因為這個還是以研究為主，跟歐陽老師介紹的相比，還屬于早期的工作，歡迎大家批評指正。
圖為大會主席、中國科學(xué)院院士成會明作主旨發(fā)言
我是兩年前在中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院設(shè)立了一個跟碳中和相關(guān)的研究所，叫碳中和技術(shù)研究所，經(jīng)過兩年的努力，我們從海外引進了近20年從講座教授到助理教授這些層次的人，分別開展了跟碳中和技術(shù)相關(guān)的工作，包括能源的產(chǎn)生、能源的儲存與轉(zhuǎn)化、智慧能源的應(yīng)用、二氧化碳的轉(zhuǎn)化等全方位開展相關(guān)的工作。目前我們加上研究生有100多人，希望能夠為實現(xiàn)碳中和這個遠大目標的征程中做一些貢獻。
我們都知道，我們現(xiàn)在還是一個以化石能源為主的能源體系，二氧化碳的排放非常之多，二氧化碳的排放就帶來氣溫的上升，從而帶來了一系列的環(huán)境與氣候的變化。
盡管像美國前總統(tǒng)特朗普等人對二氧化碳與氣溫上升表示懷疑，但主流如聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會每五年的報告里可以看到確確實實二氧化碳的排放是與氣候變暖有直接的關(guān)系，這樣就提出了碳中和的愿景。
我國2020年向全世界宣布我們也要力爭2030年實現(xiàn)碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和。我個人的理解，碳中和的意義遠不止僅僅為了能源安全和環(huán)境美好。因為大家都知道，第一次能源革命是人類從使用生物質(zhì)能源過渡到使用煤炭，英國率先贏到這次能源革命，出現(xiàn)了第一次工業(yè)革命。第二次是使用煤炭過渡到使用電力/石油，歐美國家又率先領(lǐng)先于世界。第三次能源革命是從化石能源過渡到可再生能源，正是我們今天所處的時代，中國能不能利用這個機會領(lǐng)先于世界呢?我覺得是有這樣一個機會的。
目前我國碳排放量非常大，因為我國化石能源還是以煤炭為主，而煤炭的二氧化碳排放大概是石油的1.5倍、天然氣的2倍。我們現(xiàn)在每年向大氣中排放大約100億噸的二氧化碳，大概是世界的1/4，全世界是400億噸，以能源生產(chǎn)為主，工業(yè)生產(chǎn)次之，交通和建筑在這里面占的份額并不大，15%左右。我們的碳匯少得可憐，僅僅十幾億噸。這也是為什么外國攻擊我們國家現(xiàn)在碳排放很大。我們怎么做到這一點?主要是重構(gòu)能源體系，從化石能源到可再生能源，可以減排35億噸。
第二個，工業(yè)生產(chǎn)要變革，采用低碳變革性工藝。比如鋼鐵、化工、有色、冶金、建材，以前都是用碳還原，可能今后要過渡到用氫還原，從而減少二氧化碳排放，還有交通、建筑等等，都有相應(yīng)的減排。同時，生態(tài)系統(tǒng)的固碳現(xiàn)在恢復(fù)生態(tài)，固碳也會增加，再加上二氧化碳普及與轉(zhuǎn)化，就有可能替代一部分、減排一部分，碳匯再增加一部分，而實現(xiàn)碳中和，也是我們2060年需要實現(xiàn)的目標。我們需要實現(xiàn)“六化”，能源生產(chǎn)低碳化、能源使用電氣化、能源網(wǎng)絡(luò)智能化、工業(yè)過程氫能化、二氧化碳資源化、資源利用循環(huán)化。這是我總結(jié)的，在這里面可能都很容易理解，只有二氧化碳資源化，我想稍微用幾十秒解釋一下。現(xiàn)在所有的化工原料，比如纖維、塑料，它的原料是來自于化石資源，從煤炭、石油、天然氣里來。煤炭、石油、天然氣總有被用完的一天，以后資源從哪兒來?可以從二氧化碳來。我們現(xiàn)在利用二氧化碳，可以轉(zhuǎn)化為小分子，比如一氧化碳、甲醇、乙醇、甲酸、乙酸，進而轉(zhuǎn)化成烯烴、炔烴，從而可以作用相應(yīng)的化工原料來使用，同時還可以減排。要實現(xiàn)，只有發(fā)展變革性的技術(shù)。這里面最重要的是要使用可再生能源。但可再生能源一個最大的問題是依賴于氣候與地理條件。我是農(nóng)村長大的，過去都說農(nóng)民是靠天吃飯，毛主席60年代號召我們要大興水利，其目的是要減少靠天吃飯的偶然性。我們現(xiàn)在使用可再生能源，也有點靠天吃飯的味道。我們要做的就是想辦法把它轉(zhuǎn)化為電，儲存起來，或者轉(zhuǎn)化為氫儲存起來，這就需要儲能技術(shù)。
儲能技術(shù)在整個新型電力系統(tǒng)里占據(jù)了非常重要的位置，不管在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)還是負荷側(cè)，都需要相應(yīng)的不同的儲能技術(shù)。
儲能技術(shù)，總體可以分三大類：熱儲能、電儲能、氫儲能。電儲能也可以分機械儲能和電化學(xué)儲能。我們今天可能更多的是考慮電化學(xué)儲能。
剛才大家都提到我國鋰離子電池在國際上占據(jù)了統(tǒng)治地位，1000GWh里我們有750GWh。同時，電化學(xué)儲能在儲能領(lǐng)域的增長也是呈指數(shù)型的，盡管現(xiàn)在儲能還是以抽水儲能為主，但考慮到今后在用戶側(cè)的使用，可能電化學(xué)儲能的發(fā)展會迅猛增長。整體市場規(guī)模，我個人認為應(yīng)該是大于動力電池的。這樣就需要一系列儲能系統(tǒng)。當然，現(xiàn)在鋰電是最為成熟的一個電化學(xué)儲能手段。這里面我們也面臨了一些問題，特別是在儲能領(lǐng)域。剛才歐陽老師也提到安全性問題在儲能領(lǐng)域可能比動力電池更重要。因為它規(guī)模更大，更貼近人所生存的地方。比如我們進入零碳建筑/園區(qū)，儲能就在里面。還有資源問題和成本問題。
下面我想切入到我們要發(fā)展的。除了鋰離子電池外，現(xiàn)在廣泛發(fā)展的有鈉離子電池、雙離子電池、水系電池、液流電池。當然，科學(xué)家們還在研究一些新型的其他電池，我今天簡單跟大家做一個分享，關(guān)于雙離子電池的。
雙離子電池的機理跟鋰離子電池不一樣，鋰離子電池是鋰離子在正負極里儲存，雙離子電池是陰陽離子協(xié)同氧化還原反應(yīng)，是分別在正負極里進行儲存。相對而言，雙離子電池有可能會有安全優(yōu)勢、成本優(yōu)勢，是有可能在儲能領(lǐng)域里有比較好的應(yīng)用。事實上國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會曾經(jīng)把雙離子電池選為世界新型技術(shù)，化學(xué)領(lǐng)域新興技術(shù)十大技術(shù)之三。
雙離子電池是1938年就有科學(xué)家證實，陰陽離子可以在正負極里進行插層，從而開始逐步開發(fā)雙離子電池。我們2016年開始在這個領(lǐng)域開展工作，唐永炳團隊首次報道了鋁-石墨雙離子電池，隨后又在鈉、鉀、鈣、鎂等體系里開展相應(yīng)工作。
首先是我們構(gòu)建了鋁-石墨雙離子電池，傳統(tǒng)的雙離子電池是石墨雙離子電池，石墨的鋰電容量并不高，所以我們提出合金化金屬負極，它的處理點位比較高，比容量也比較高，從而構(gòu)建鋁-石墨雙離子電池，也發(fā)現(xiàn)確實分別在正極和負極發(fā)生了插層反應(yīng)，也有比較好的工作電壓。但我們也發(fā)現(xiàn)了一些問題，比如鋁負極也同樣具有膨脹、粉化、界面反應(yīng)不均等問題，所以我們也采用了一些手段進行改進。比如利用微納多孔結(jié)構(gòu)，再加上碳包袱來控制它的反應(yīng)，從而來抑制粉化和提高反應(yīng)的均勻性。同時采用一體化工藝，把集流體、活性材料、隔膜進行一體化設(shè)計，從而改善倍率特性。
我們也采用了其他一些手段，比如跟纖維進行復(fù)合，從而構(gòu)建阻抗比較低的電極結(jié)構(gòu)，提高它的倍率特性。
另外，面密度很難提升。因為它提高后，傳質(zhì)傳荷效率比較低，我們利用在碳納米管和石墨烯領(lǐng)域的一些知識，來構(gòu)筑“點-線-面”分級結(jié)構(gòu)，從而提高比較高的負載量，來改進它的循環(huán)穩(wěn)定性。
有意思的是我們在研究過程中，同時把它跟鋰離子電池結(jié)合起來，發(fā)展了一種寬溫與高安全的鋁碳負極電池，具有高的能量密度，極端情況下可以在-70度下使用，功率特性比較好，安全性比較好。已經(jīng)經(jīng)過一系列企業(yè)的測試，包括電動汽車、電動兩輪汽車的的頭部企業(yè)測試。目前我們在中國石油的支持下開展這個電池的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，估計今年年底可以開始供貨。
我們電解質(zhì)還是用含有鋰離子的電解質(zhì)，還是有一個跟鋰離子電池爭資源的問題，所以我們進而也擴展向鈉、鉀、鈣、鎂、錫等雙離子體系。
下面我跟大家簡單介紹一下，我們也構(gòu)建鈉、鉀雙離子電池，還是采用合金化負極手段來進行。
我們對它相應(yīng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)進行了相關(guān)設(shè)計，由于時間關(guān)系，不詳細介紹。比如三維多孔結(jié)構(gòu)等等(見PPT)。
因為鈉、鉀離子半徑大，所以動力學(xué)非常緩慢，我們又提出了“離子鉆”，用少量鋰離子誘導(dǎo)鈉、鉀離子的擴散，從而極大的改善動力學(xué)性能。
下面是講多鉀離子、鈣離子。鈣離子電池的特點是標準電勢和鋰很近，儲量也很豐富，我們就開展了這樣一個體系的研究。
但鈣離子電池在電化學(xué)反應(yīng)過程中，費米能級高，導(dǎo)致室溫下不可逆轉(zhuǎn)。我們還是采用合金化設(shè)計，采用一個合金化的負極來降低費米能級和抑制鈍化膜。采用計算機模擬手段，來尋找相應(yīng)的合金化負極，最后發(fā)現(xiàn)錫是比較好的選擇，我們就采用錫鈣來做。
早期的工作是室溫下不可以使用，通過改進，可以在室溫下實現(xiàn)具有一定循環(huán)性能的電池。
雙離子電池現(xiàn)在研究非常踴躍，但這里面面臨的問題也比較大。總體來說，雙離子電池的能量密度不高、高電壓穩(wěn)定性差，更沒有電芯和管理系統(tǒng)等相關(guān)的工藝，所以這里面都需要做很多研究，我們需要發(fā)展新型材料包括電解液，同時也需要研究電芯的失效機理等等，這方面需要我們進一步努力。
在小型線上做了軟包雙離子電池，希望能夠同步來推進，如果有可能實用化，往產(chǎn)業(yè)化推進。
初步做的雙離子電池性能還可以，但現(xiàn)在循環(huán)壽命還是比較短，所以我們還需要進一步開展。
我認為雙離子電池技術(shù)在未來儲能領(lǐng)域有它的應(yīng)用前景。當然，我們還需要做非常多的研究。
最后，感謝同事和資助機構(gòu)，特別是蔣春磊、張帆。最后也謝謝大家，歡迎大家批評指正，謝謝!
(以上為演講速記，未經(jīng)演講者審閱。)
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