成會(huì )明院士：雙離子電池安全、成本優(yōu)勢明顯，在儲能領(lǐng)域應用前景可期
5月16日上午，第四屆新能源汽車(chē)及動(dòng)力電池(CIBF2023深圳)國際交流會(huì )在深圳國際會(huì )展中心(新館)隆重開(kāi)幕，會(huì )議為期兩天，會(huì )議的主題為“新周期·新應用——動(dòng)力電池的創(chuàng )新與拓展”。
在大會(huì )開(kāi)幕式環(huán)節，本屆大會(huì )主席、中國科學(xué)院院士成會(huì )明做主旨發(fā)言。以下是成會(huì )明院士發(fā)言實(shí)錄。
中國科學(xué)院成會(huì )明院士：
非常感謝方總的介紹。剛才歐陽(yáng)老師就熱管理做了非常精彩的報告，我也學(xué)習了很多。我本人其實(shí)沒(méi)怎么做動(dòng)力電池，盡管我們的材料、負極、碳納米管在動(dòng)力電池里有應用，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(diǎn)工作，因為這個(gè)還是以研究為主，跟歐陽(yáng)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(huì )主席、中國科學(xué)院院士成會(huì )明作主旨發(fā)言
我是兩年前在中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院設立了一個(gè)跟碳中和相關(guān)的研究所，叫碳中和技術(shù)研究所，經(jīng)過(guò)兩年的努力，我們從海外引進(jìn)了近20年從講座教授到助理教授這些層次的人，分別開(kāi)展了跟碳中和技術(shù)相關(guān)的工作，包括能源的產(chǎn)生、能源的儲存與轉化、智慧能源的應用、二氧化碳的轉化等全方位開(kāi)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(shí)現碳中和這個(gè)遠大目標的征程中做一些貢獻。
我們都知道，我們現在還是一個(gè)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(lái)氣溫的上升，從而帶來(lái)了一系列的環(huán)境與氣候的變化。
盡管像美國前總統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(zhuān)門(mén)委員會(huì )每五年的報告里可以看到確確實(shí)實(shí)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(shí)現碳達峰，2060年實(shí)現碳中和。我個(gè)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(lèi)從使用生物質(zhì)能源過(guò)渡到使用煤炭，英國率先贏(yíng)到這次能源革命，出現了第一次工業(yè)革命。第二次是使用煤炭過(guò)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(guò)渡到可再生能源，正是我們今天所處的時(shí)代，中國能不能利用這個(gè)機會(huì )領(lǐng)先于世界呢?我覺(jué)得是有這樣一個(gè)機會(huì )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在碳排放很大。我們怎么做到這一點(diǎn)?主要是重構能源體系，從化石能源到可再生能源，可以減排35億噸。
第二個(gè)，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(guò)渡到用氫還原，從而減少二氧化碳排放，還有交通、建筑等等，都有相應的減排。同時(shí)，生態(tài)系統的固碳現在恢復生態(tài)，固碳也會(huì )增加，再加上二氧化碳普及與轉化，就有可能替代一部分、減排一部分，碳匯再增加一部分，而實(shí)現碳中和，也是我們2060年需要實(shí)現的目標。我們需要實(shí)現“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(guò)程氫能化、二氧化碳資源化、資源利用循環(huán)化。這是我總結的，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?，F在所有的化工原料，比如纖維、塑料，它的原料是來(lái)自于化石資源，從煤炭、石油、天然氣里來(lái)。煤炭、石油、天然氣總有被用完的一天，以后資源從哪兒來(lái)?可以從二氧化碳來(lái)。我們現在利用二氧化碳，可以轉化為小分子，比如一氧化碳、甲醇、乙醇、甲酸、乙酸，進(jìn)而轉化成烯烴、炔烴，從而可以作用相應的化工原料來(lái)使用，同時(shí)還可以減排。要實(shí)現，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(gè)最大的問(wèn)題是依賴(lài)于氣候與地理條件。我是農村長(cháng)大的，過(guò)去都說(shuō)農民是靠天吃飯，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。我們現在使用可再生能源，也有點(diǎn)靠天吃飯的味道。我們要做的就是想辦法把它轉化為電，儲存起來(lái)，或者轉化為氫儲存起來(lái)，這就需要儲能技術(shù)。
儲能技術(shù)在整個(gè)新型電力系統里占據了非常重要的位置，不管在電源側、電網(wǎng)側還是負荷側，都需要相應的不同的儲能技術(shù)。
儲能技術(shù)，總體可以分三大類(lèi)：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了統治地位，1000GWh里我們有750GWh。同時(shí)，電化學(xué)儲能在儲能領(lǐng)域的增長(cháng)也是呈指數型的，盡管現在儲能還是以抽水儲能為主，但考慮到今后在用戶(hù)側的使用，可能電化學(xué)儲能的發(fā)展會(huì )迅猛增長(cháng)。整體市場(chǎng)規模，我個(gè)人認為應該是大于動(dòng)力電池的。這樣就需要一系列儲能系統。當然，現在鋰電是最為成熟的一個(gè)電化學(xué)儲能手段。這里面我們也面臨了一些問(wèn)題，特別是在儲能領(lǐng)域。剛才歐陽(yáng)老師也提到安全性問(wèn)題在儲能領(lǐng)域可能比動(dòng)力電池更重要。因為它規模更大，更貼近人所生存的地方。比如我們進(jìn)入零碳建筑/園區，儲能就在里面。還有資源問(wèn)題和成本問(wèn)題。
下面我想切入到我們要發(fā)展的。除了鋰離子電池外，現在廣泛發(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(jiǎn)單跟大家做一個(gè)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(yáng)離子協(xié)同氧化還原反應，是分別在正負極里進(jìn)行儲存。相對而言，雙離子電池有可能會(huì )有安全優(yōu)勢、成本優(yōu)勢，是有可能在儲能領(lǐng)域里有比較好的應用。事實(shí)上國際純粹與應用化學(xué)聯(lián)合會(huì )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(shí)，陰陽(yáng)離子可以在正負極里進(jìn)行插層，從而開(kāi)始逐步開(kāi)發(fā)雙離子電池。我們2016年開(kāi)始在這個(gè)領(lǐng)域開(kāi)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(kāi)展相應工作。
首先是我們構建了鋁-石墨雙離子電池，傳統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(diǎn)位比較高，比容量也比較高，從而構建鋁-石墨雙離子電池，也發(fā)現確實(shí)分別在正極和負極發(fā)生了插層反應，也有比較好的工作電壓。但我們也發(fā)現了一些問(wèn)題，比如鋁負極也同樣具有膨脹、粉化、界面反應不均等問(wèn)題，所以我們也采用了一些手段進(jìn)行改進(jìn)。比如利用微納多孔結構，再加上碳包袱來(lái)控制它的反應，從而來(lái)抑制粉化和提高反應的均勻性。同時(shí)采用一體化工藝，把集流體、活性材料、隔膜進(jìn)行一體化設計，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(jìn)行復合，從而構建阻抗比較低的電極結構，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(lái)構筑“點(diǎn)-線(xiàn)-面”分級結構，從而提高比較高的負載量，來(lái)改進(jìn)它的循環(huán)穩定性。
有意思的是我們在研究過(guò)程中，同時(shí)把它跟鋰離子電池結合起來(lái)，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(guò)一系列企業(yè)的測試，包括電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)兩輪汽車(chē)的的頭部企業(yè)測試。目前我們在中國石油的支持下開(kāi)展這個(gè)電池的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，估計今年年底可以開(kāi)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(gè)跟鋰離子電池爭資源的問(wèn)題，所以我們進(jìn)而也擴展向鈉、鉀、鈣、鎂、錫等雙離子體系。
下面我跟大家簡(jiǎn)單介紹一下，我們也構建鈉、鉀雙離子電池，還是采用合金化負極手段來(lái)進(jìn)行。
我們對它相應的復合結構進(jìn)行了相關(guān)設計，由于時(shí)間關(guān)系，不詳細介紹。比如三維多孔結構等等(見(jiàn)PPT)。
因為鈉、鉀離子半徑大，所以動(dòng)力學(xué)非常緩慢，我們又提出了“離子鉆”，用少量鋰離子誘導鈉、鉀離子的擴散，從而極大的改善動(dòng)力學(xué)性能。
下面是講多鉀離子、鈣離子。鈣離子電池的特點(diǎn)是標準電勢和鋰很近，儲量也很豐富，我們就開(kāi)展了這樣一個(gè)體系的研究。
但鈣離子電池在電化學(xué)反應過(guò)程中，費米能級高，導致室溫下不可逆轉。我們還是采用合金化設計，采用一個(gè)合金化的負極來(lái)降低費米能級和抑制鈍化膜。采用計算機模擬手段，來(lái)尋找相應的合金化負極，最后發(fā)現錫是比較好的選擇，我們就采用錫鈣來(lái)做。
早期的工作是室溫下不可以使用，通過(guò)改進(jìn)，可以在室溫下實(shí)現具有一定循環(huán)性能的電池。
雙離子電池現在研究非常踴躍，但這里面面臨的問(wèn)題也比較大?？傮w來(lái)說(shuō)，雙離子電池的能量密度不高、高電壓穩定性差，更沒(méi)有電芯和管理系統等相關(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(shí)也需要研究電芯的失效機理等等，這方面需要我們進(jìn)一步努力。
在小型線(xiàn)上做了軟包雙離子電池，希望能夠同步來(lái)推進(jìn)，如果有可能實(shí)用化，往產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)。
初步做的雙離子電池性能還可以，但現在循環(huán)壽命還是比較短，所以我們還需要進(jìn)一步開(kāi)展。
我認為雙離子電池技術(shù)在未來(lái)儲能領(lǐng)域有它的應用前景。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，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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