成會(huì)明院士：多種儲(chǔ)能技術(shù)長(zhǎng)期共存，電化學(xué)儲(chǔ)能前景最廣闊
11月18日-20日，第九屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)(CBIS2024)在中國(guó)上海舉行。本屆峰會(huì)以“向新·融合——開(kāi)創(chuàng)產(chǎn)業(yè)合作新時(shí)代”為主題，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合電池中國(guó)網(wǎng)共同主辦，廣東利元亨智能裝備股份有限公司總冠名。在峰會(huì)開(kāi)幕式環(huán)節(jié)，中國(guó)科學(xué)院院士成會(huì)明作主旨報(bào)告。
以下是成會(huì)明院士主旨報(bào)告內(nèi)容：
尊敬的司梅女士、伊戈?duì)栂壬⒏駛愊壬瑢O老師、王澤深秘書(shū)長(zhǎng)、劉金成董事長(zhǎng)等各位董事長(zhǎng)、企業(yè)家，大家早上好。
我參加了兩三次這個(gè)論壇，首先祝賀CBEA十周年，雖然一晃就過(guò)去了，但是電池領(lǐng)域的成長(zhǎng)十周年是突飛猛進(jìn)。十周年電動(dòng)車(chē)增長(zhǎng)了100倍，電池也是相應(yīng)的增長(zhǎng)。
我今天跟大家做一些分享，主要是我們最近針對(duì)電池發(fā)展做的一些工作，有一些還不成熟，請(qǐng)大家批評(píng)指正。
能源結(jié)構(gòu)是從化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)換，化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)換就依賴(lài)于儲(chǔ)能，因?yàn)榭稍偕茉粗饕翘?yáng)能和風(fēng)能，依賴(lài)于地理、氣候環(huán)境等因素具有不確定性、間歇性、不穩(wěn)定性，我們就需要發(fā)展先進(jìn)的高性能的儲(chǔ)能技術(shù)，包括儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氫、儲(chǔ)電。
先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)必須安全，特別是儲(chǔ)能。大樓里面安裝的儲(chǔ)能裝置如果出了問(wèn)題，影響非常大。當(dāng)然長(zhǎng)壽命、低成本、環(huán)境適應(yīng)性、可持續(xù)發(fā)展，這些都是非常重要的指標(biāo)。
儲(chǔ)能有多方面，儲(chǔ)電又分兩大類(lèi)：1，物理儲(chǔ)電;2，電化學(xué)儲(chǔ)電。
電化學(xué)里種類(lèi)又非常多，從鋰電到正在興起的鈉電、液流、鉛酸等多個(gè)方面，從現(xiàn)在儲(chǔ)能的裝機(jī)看很顯然先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的比例越來(lái)越大，而像抽水蓄能這種物理比例正在變小，當(dāng)然先進(jìn)儲(chǔ)能現(xiàn)在還是以鋰離子電池為主達(dá)到98%。
這個(gè)數(shù)據(jù)是比較老的數(shù)據(jù)，剛才澤深秘書(shū)長(zhǎng)告訴大家今年1-10月份已經(jīng)900多GWh超過(guò)了2023年全年的量。更值得注意的是，他剛才給了一個(gè)數(shù)據(jù)其他電池是160GWh增長(zhǎng)是143%，這就充分說(shuō)明了現(xiàn)在我們整個(gè)電池領(lǐng)域動(dòng)力電池在增長(zhǎng)，消費(fèi)電池在平穩(wěn)。
但儲(chǔ)能電池這部分在快速增長(zhǎng)，因?yàn)閮?chǔ)能這個(gè)領(lǐng)域市場(chǎng)空間非常大，所以如果它快速增長(zhǎng)給我們電池帶來(lái)一系列挑戰(zhàn)，包括安全性、苛刻環(huán)境、資源問(wèn)題。所以我們就必須針對(duì)這樣一些問(wèn)題開(kāi)展相關(guān)的研究、開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，當(dāng)然這需要學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界的共同努力。
從安全性來(lái)說(shuō)現(xiàn)在兩大方面：1，固態(tài)電池;2，水系電池。從資源問(wèn)題來(lái)說(shuō)一方面我們要發(fā)展資源豐富的電池，包括鈉、鋅、鋁、鎂、鈣等，還有我們也必須注重現(xiàn)有特別是鋰離子電池的回收與利用。
我們團(tuán)隊(duì)針對(duì)這些方面開(kāi)展了研究，所以我今天跟大家介紹四個(gè)方面，首先是新型固態(tài)電池。
固態(tài)電池的核心大家都知道是固態(tài)電解質(zhì)，現(xiàn)在發(fā)展的固態(tài)電解質(zhì)分兩大類(lèi)：無(wú)機(jī)、有機(jī)。無(wú)機(jī)里又分硫化物、氧化物、鹵化物，我們還可以將無(wú)機(jī)和有機(jī)進(jìn)行復(fù)合，這些大類(lèi)的電池都各有優(yōu)缺點(diǎn)，總體來(lái)看動(dòng)態(tài)電解質(zhì)不管是無(wú)機(jī)還是有機(jī)，室溫離子都非常機(jī)，而且低溫性能更差。
現(xiàn)在雖然只關(guān)注鋰電和鈉，但是如果要考慮到今后的多價(jià)離子的話(huà)，實(shí)際上固態(tài)電解質(zhì)多價(jià)離子的導(dǎo)電離會(huì)更差，需要我們?cè)谶@方面開(kāi)展探索。
從傳導(dǎo)機(jī)制，無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)主要是利用晶格躍遷，而聚合物質(zhì)我國(guó)固態(tài)電解質(zhì)主要是采取鏈段擺動(dòng)的傳統(tǒng)機(jī)制。相關(guān)的問(wèn)題是無(wú)機(jī)主要有不穩(wěn)定，容易與空氣中的水反應(yīng)，還有界面接觸差，所以我們需要改進(jìn)界面甚至加很大的壓力。
有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的問(wèn)題是室溫傳導(dǎo)率更差，比無(wú)機(jī)還要差，而且熱穩(wěn)定性差。我們?cè)诰拖胗袥](méi)有發(fā)展新的固態(tài)電解質(zhì)或者是采用新型的離子傳導(dǎo)機(jī)制呢?因?yàn)槲抑饕獜氖碌途S材料包括一維、二維材料的研究，我們就考慮是否可以利用二維限域空間實(shí)現(xiàn)高離子傳導(dǎo)，通過(guò)前人和我們自己的研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)二維限域空間可以加速離子傳導(dǎo)。
為此我們?cè)谶@個(gè)方面進(jìn)行了一些非常基礎(chǔ)性的探索，包括發(fā)展無(wú)機(jī)二維材料、有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化材料、二維有機(jī)分子、自主裝材料。我們發(fā)現(xiàn)在二維過(guò)渡金屬硫磷化物的材料里面，如果我們有意識(shí)的制造缺陷，它的傳導(dǎo)力會(huì)極大的提升，相關(guān)的工作發(fā)表在《science》上。但是二維固態(tài)離子傳導(dǎo)，在二維的方向上很快，但是在另外一個(gè)方向上有層間的傳導(dǎo)比較差，我們必須要克服這樣的缺點(diǎn)。
我們提出一個(gè)設(shè)計(jì)思想，采用二維有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，但是增加三維的傳導(dǎo)，所以我們叫二維有機(jī)篩固態(tài)電解質(zhì)，這樣的話(huà)既可以在二維鏈內(nèi)利用德拜彈射效應(yīng)促進(jìn)傳導(dǎo)，同時(shí)可以通過(guò)這個(gè)篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)在三維空間獲得傳導(dǎo)。
我們提出的二維固態(tài)電解質(zhì)因?yàn)樗怯袡C(jī)的，所以它的工藝特性非常好，可以采取多種方式進(jìn)行制備，而且柔韌性很好。從初步的研究發(fā)現(xiàn)它的室溫離子可以達(dá)到1毫西門(mén)子，也就是說(shuō)跟無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)相當(dāng)。
而且我們也對(duì)它的環(huán)境、耐受性、阻燃性、高溫穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)的研究，都極大優(yōu)于現(xiàn)有的有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)。我們也發(fā)現(xiàn)二維有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)具有比較寬的電壓窗口高達(dá)4.5V，因此可以跟高電壓的正極材料匹配。
這樣我們就做了一些初步的探索，比如與磷酸鐵鋰進(jìn)行配合，加了5個(gè)Mpa的壓力，在500圈高鏈負(fù)載的情況下具有比較好的性能，而且它在0度也具有比較好的性能，也可以適配高電壓正極材料，在室溫下具有比較好的倍率特性。
而且這個(gè)電解質(zhì)還有一個(gè)好處它遇水不分解、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對(duì)它的循環(huán)做了研究發(fā)現(xiàn)它老化后還能穩(wěn)定使用，所以我們認(rèn)為這個(gè)有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)有可能是一個(gè)很有潛力的固態(tài)電池的電解質(zhì)。我們也分析了它的價(jià)格基本上跟聚合物的價(jià)格相當(dāng)，跟無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)比非常有優(yōu)勢(shì)。總而言之固態(tài)電解質(zhì)具有比較均勻的性能也有比較好的成本和工藝特性，目前我們正在加緊開(kāi)發(fā)。
第二方面為了適應(yīng)苛刻的環(huán)境我們必須開(kāi)發(fā)寬溫鋰電池，這個(gè)我以前也跟大家介紹過(guò)，我們選擇的方式與一般的有點(diǎn)不同，我們主要是在負(fù)極上面做點(diǎn)文章。大家知道鋁負(fù)極可以發(fā)生核凈化反應(yīng)，有可能作為負(fù)極材料使用。它和石墨負(fù)極比有比較合適的處理電位，可以抑制低溫吸力，因?yàn)槭呛诉M(jìn)化反應(yīng)，所以在電解液的選擇方面范圍比較寬。
鋁負(fù)極也有很大的問(wèn)題，和我們做硅負(fù)極一樣，具有體積膨脹粉化的問(wèn)題，而且合金化反應(yīng)容易沿晶，主要在金件上出現(xiàn)沿晶開(kāi)裂、反應(yīng)不均等問(wèn)題，所以我們需要研究。
研究的手段主要是與碳復(fù)合，這與我們做硅碳負(fù)極完全相同。經(jīng)過(guò)大概近十年的努力，成功地開(kāi)發(fā)出了鋁碳負(fù)極材料，可以與我們現(xiàn)有的正極相匹配，包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元匹配的正極不同、工作溫度不同，但是他們的低溫性能都非常好，而且循環(huán)性能、倍率特性也很好。
總體來(lái)說(shuō)和現(xiàn)有的鋰電比，具有能量密度安全、寬溫域和高功率的優(yōu)勢(shì)，所以我們也進(jìn)行了相關(guān)的中試和放大，現(xiàn)在也在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化建設(shè)。
今年一月在漠河做的實(shí)驗(yàn)，湖南衛(wèi)視找到我們，發(fā)現(xiàn)確實(shí)在零下40度我們的電池可以充電，可以放電，工作良好。今年準(zhǔn)備搞一個(gè)電動(dòng)車(chē)在磨合試行。
第三電池材料的回收。
現(xiàn)在電池用量這么大，不管是動(dòng)力還是儲(chǔ)能，總有一個(gè)壽命問(wèn)題。現(xiàn)有的回收方法多是火法和濕法。我們歸納了一下基本上從分子到元素、原子再到分子，所以這個(gè)過(guò)程是非常冗長(zhǎng)的，而且能耗高、環(huán)境污染。
我們提出了一個(gè)方法是從分子到分子，也就是說(shuō)我們是將以實(shí)效的鋰離子正極材料和它進(jìn)行修復(fù)，讓它直接使用。所以這個(gè)過(guò)程是不破壞原子間的共價(jià)鍵，所以所需能量比較低，流程比較短。
我們基本上是三種，直接修復(fù)、升級(jí)修復(fù)、拓展應(yīng)用。
升級(jí)修復(fù)把低價(jià)值修復(fù)為高價(jià)值的，比如說(shuō)把低電壓修復(fù)為高電壓的;拓展應(yīng)用是拓展到其他領(lǐng)域，比如說(shuō)催化劑等領(lǐng)域，舉兩個(gè)簡(jiǎn)單的例子，因?yàn)槲覀冏罱l(fā)現(xiàn)了鋰化物，可以直接修復(fù)三元材料，而且在近室溫條件下就可以修復(fù)。用我們自己車(chē)檢實(shí)現(xiàn)的鋰離子電池，也包括從商業(yè)化購(gòu)買(mǎi)的像523的黑粉進(jìn)行修復(fù)，可以看到藍(lán)色的曲線(xiàn)修復(fù)后的材料甚至比原始材料的性能還好。我們對(duì)它做了個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，很顯然能耗低、環(huán)境污染小、經(jīng)濟(jì)效益好。
另外我們充分利用失效鋰離子電池材料的特點(diǎn)，具有缺陷、裂紋，而這些缺陷、裂紋正巧是我們摻雜的驅(qū)動(dòng)力，所以我們可以利用這些特點(diǎn)在摻雜量非常小的情況下對(duì)材料進(jìn)行均勻摻雜，比如摻雜鋁、鎂，雖然摻雜量很低但我們能夠?qū)崿F(xiàn)很好的均勻摻雜從而提升性能，這個(gè)材料就可以在4.6V下循環(huán)穩(wěn)定使用，這是一個(gè)典型的升級(jí)修復(fù)的例子。目前我們也在深圳成立了一家公司，現(xiàn)在百公斤級(jí)的中試已經(jīng)完成正準(zhǔn)備向進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)。
最后給大家介紹下我們?cè)谒惦姵胤矫娴难芯俊?/p>
我們知道水系電池具有本征安全，我們選擇鋅的話(huà)具有資源豐富的特性，所以總體來(lái)說(shuō)它具有比較好的優(yōu)勢(shì)，但它也具有很大的問(wèn)題，比如它的電壓窗口窄，電壓低意味著能量密度非常低，另外它的界面穩(wěn)定性差、正極材料容易結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，針對(duì)這些問(wèn)題我們也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的策略，比如電解質(zhì)凝膠化等這樣一些因素。
我們發(fā)現(xiàn)如果采用凝膠化的電解質(zhì)不僅能夠提高它的離子傳導(dǎo)而且可以擴(kuò)展它的電壓窗口，進(jìn)一步提出含有溶劑化增強(qiáng)劑+功能添加劑+水的三元復(fù)合電解液，可以將電化學(xué)窗口拓展到三伏。
我們也認(rèn)真分析了鋅負(fù)極容易發(fā)生的比如析氫、腐蝕、鈍化、枝晶等這一系列反應(yīng)，針對(duì)這些反應(yīng)我們進(jìn)行研究，比較有意思的是我們利用鋅負(fù)極本身具有的催化、氧化、還原的反應(yīng)特性構(gòu)筑了具有化學(xué)鍵合的凝膠電解質(zhì)和鋅的負(fù)極界面。
也就是說(shuō)這個(gè)凝膠電解質(zhì)可以在鋅的誘導(dǎo)下直接發(fā)生原位聚合，氧化還原聚合形成相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，從而來(lái)控制它與水的反應(yīng)特性，阻礙與鋅的接觸，使它的穩(wěn)定性得到極大的延伸。我們也在做相應(yīng)的中試開(kāi)發(fā)包括表面改性，凝膠電解質(zhì)制備，干化電解技術(shù)和隔膜改性技術(shù)，希望在做基礎(chǔ)研究的同時(shí)，也能夠把基礎(chǔ)研究的部分結(jié)果盡快導(dǎo)入到應(yīng)用中。
我們也與香港公司中華煤氣在大陸成立的港華能源合作，共建了儲(chǔ)能聯(lián)合創(chuàng)新中心，建了一個(gè)小試線(xiàn)，我們希望把先把鋅電池在UPS不間斷電源等應(yīng)急電源上進(jìn)行示范，從而再進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。
以上和大家簡(jiǎn)單介紹最近開(kāi)展的一些工作，總之先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)是可再生能源大規(guī)模利用的不可缺少的支撐技術(shù)，而且我們現(xiàn)在儲(chǔ)能市場(chǎng)從動(dòng)力到儲(chǔ)能、消費(fèi)電子等等，儲(chǔ)能又分園區(qū)、建筑、大規(guī)模儲(chǔ)能等多方面。
所以我個(gè)人覺(jué)得，我們會(huì)有多種儲(chǔ)能技術(shù)長(zhǎng)期共存，但是電化學(xué)儲(chǔ)能可能是前景最為廣闊的。要考慮到未來(lái)大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能的發(fā)展，我們就必須發(fā)展可持續(xù)的電池技術(shù)，具有可持續(xù)本著安全的特性，可以解決現(xiàn)在的安全痛點(diǎn)、資源痛點(diǎn)等難題。
但是事實(shí)上我們面臨的挑戰(zhàn)也非常大，需要我們產(chǎn)、學(xué)、研、政、經(jīng)結(jié)合在一起，這個(gè)主題向新融合共同發(fā)展，感謝我的團(tuán)隊(duì)包括中科院深圳先進(jìn)院、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院、深圳理工大學(xué)的同事和同學(xué)，最后也感謝資助機(jī)構(gòu)，謝謝大家，盡情批評(píng)指正。
(以上為嘉賓演講內(nèi)容速記，未經(jīng)嘉賓核對(duì)）
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