复旦大学晁栋梁：开发高安全、低成本的新型水性电池

2021 年 10 月 28 - 29 日，世界科技青年论坛暨《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”（TR35）全球-亚太区线下发布仪式在杭州未来科技城成功举办。本次活动由杭州未来科技城（海创园）管委会指导，DeepTech 主办。
作为 TR35 的 “老人”，复旦大学教授、《今日能源材料》副主编晁栋梁针对近几年“安全水性电池”的市场现状及未来趋势分享了自己的看法。

图｜复旦大学教授、《今日能源材料》副主编晁栋梁
由于传统化学能源的燃烧和资源的加速消耗，对能源和环境带来了严峻的挑战，二氧化碳排放量作为衡量环境问题重要的指标，引起社会各界高度重视。晁栋梁用可量化的具体数据，展示了最近这几年一些重要国家和地区关于二氧化碳排放量的总结以及对未来预测。
从这些数据中可以看出，包括欧盟、美国、日本在 1979 年和 2007 和 2013 年就已经实现了碳达峰的愿望。中国加入了 WTO 之后，发现碳排放量极具增高，从侧面说明了欧美等国家通过对中国贸易利差等策略，间接将碳排放转移到中国，由此可见在中国加入了 WTO 之后虽然经济增长得到了快速发展，但是带来的环境问题也日益突出。
晁栋梁表示：“为了满足 ‘碳达峰’ 的要求，我们可以快速地提高二氧化碳的排放量，让它快速达到峰值，这样必然会带来更为严峻的环境问题，所以我们要综合考虑，制订更加妥善的策略缓慢实现‘碳达峰’，并且需要有节奏地控制二氧化碳总的排放量。”
　　解决电池技术等难题，寻找 “碳达峰” 目标有效方案
为了应该有碳排放给大气环境带来的严峻挑战，中国 “十三五” 规划及发改委相关意见提出，在 2030 年实现 “碳达峰 ”这一宏伟目标，晁栋梁建议个人和团体要在日常生活和工作中不断地实现碳的负排放，截至 2060 年实现“碳中和”的愿望。
作为全球第二大经济体，中国一直致力于将可持续发展作为长期的战略目标，随着人均收入进一步提升，中国市场乘用车销量呈现井喷式的发展。2020 年初至今，像蔚来、理想、小鹏等新能源汽车厂商成为人们热议的话题。
前不久，国务院发布了 2030 年前 “碳达峰” 行动方案，预计要在 2025 年实施新型储能装机容量达到 3000 万千瓦以上，并且大力推广电动汽车发展，直到 2030 年电池汽车的保有量在 40% 以上。
然而，与能源汽车紧密相关的电池一直推动和影响着能源汽车的发展，电池技术也一直在突破，最早有爱迪生发明的镍隔蓄电池、镍铅酸电池、镍氢蓄电池，一直到今天的锂电池，目前最新的锌基蓄电池以环保和安全著称。
科学界对于锂电池技术的探索从未停止，锂离子电池方向研究者在 2019 年也获得了诺贝尔化学奖，该奖项表彰了科学家分别在电池正级、负级以及产业化推广中对锂离子电池发展所做的贡献。
当技术进一步升级，工业化产能继续扩大，自然会普及到大众消费者生活中。打开手机壳，在背面可以发现超大的软包锂离子电池，该类锂电池主要包括正级负级和隔膜和电解液组成，研究显示如果进一步依赖锂离子电池并且推广，在近几年之内没有太大问题，但是到了 2030、2040 年锂的提供给量可能跟不上发展需求。
针对这个需求晁栋梁在博士期间大力研究钠离子电池的应用，发现在全球内占有量第四大的钠元素是不错的替代物，因此发展钠离子电池可以压缩电池成本和实现电池的规模化发展。
晁栋梁表示：“这些其实还不够，因为包括锂离子电池和钠离子有机电解液作为大量添加，当遇到紧急情况包括高温爆炸，不可避免发生燃烧或者爆炸的风险，曾经发生过很多典型的案例，包括波音 787 和特斯拉 Model S，以及今年大家记忆犹新的在成都密闭电梯里面发生电动自行车自燃、自爆。”
由于电池安全性问题，给人们造成人身和财产伤亡的事件时有发生，这些案例不断提醒用户“安全”才是电池安身立命的根本。
　　致力开发一系列新型高安全、低成本水性电池
谈及电池安全性问题时，不得不提南孚电池、超霸电池、金霸王等品牌，用水作为大量的电解液来保障电池安全性和降低其成本的案例。因为水的引入使电池寿命得到限制，以及能量密度得到了限制，对水施加一定的电压就会发生分解正级和负级分别产生氧气和氢气，这些副反应不仅降低了循环而且也限制了电池的能量密度。
锂电池目前向着水性锂电发展，希望能较好地解决电池爆炸这一安全问题，只是容量和寿命一直无法达到消费需求。
锌在这些体系尤为突出，不仅是因为储量丰富低成本，而且在水的溶液进行稳定的电化学的剥离和沉积反应，一定程度抑制水的分解。

图｜全球锌的占有量分析
所谓电池的能量密度主要与体系的电压和容量有关，当前水系电池的电压局限在 1.8V 以下，如果想提高水系电池电压，必须在这两个方面做提高，当前能量密度比较低，基本上都是在 100 瓦时每公斤以内。
针对水系电池的容量和电压的问题，晁栋梁课题组在最近 2-3 年里分别从水系电池的正级、负级、电解液和隔膜角度进行努力突破，开发出一系列高安全、低成本的新型水系电池。晁栋梁从不同角度介绍了如何改善水系电池，让“金霸王”等传统的水系电池恢复往日生机。
首先，从电压的角度来看，水的分解电压为 1.23V，但是通常高过这个电压，因为极化的存在，可以看到不管在中性、酸性、还是碱性下都存在 HER 和 OER，所以水系的分解电压包含了正负极的极化和电解液等界面的极化。该团队提高水系电池的电压的做法是将 HER 往更负的地方推，OER 往更正的地方推，这样会产生一个 GAP 以填补两个竞争性的反应电对，从而形成一个高的电压差。其团队研发的电解 Zn-Mn 体系具有两伏的高放电电压，更低的成本，可以做成大规模的液流模式进行大规模应用。该电池体系和其他的电池比，具有更高的能量密度和功率密度，成本和售价可以非常低。
从另一个角度来看，如何提高水性电池的容量也是其课题组近来一直致力于的研究方向，硫的容量密度可以达到 1000 毫安时每克以上，如果结合其材料低成本的特性，这样的新兴硫基水性电池可以解决能量密度的困扰。
该团队在电解液方面也做了研究，他们可以通过非常简单的方法在传统的电解液里添加葡萄糖这类很便宜的添加剂，葡萄糖分子代替锌周围的六个水分子的一个，这种代替方式可以稳定水的结构，降低电解液分解风险，葡萄糖分子还可以吸附在锌的表面保护锌的负级防止枝晶的产生。

图｜水的分解
从器件的角度，该团队还通过自上而下的合成方法得到富含孔道的微米级无钴球镍用作碱性锌镍电池，这样的软包电池技术在小的体积条件下实现了较高的能量密度，可以达到 150 瓦时每公斤以上。其演示了一个较小的软包电池就可以驱动小卡车模型，而且可以承受各种安全性破坏测试，并且可以正常稳定的运行。
在应用层面，该团队生产的新型电池已经通过了**测试，指出其研发的水性电池具有更低成本、更好的寿命、更高的能量密度，具有与锂离子电池相竞争的潜力。其技术攻关团队，今年一月份已建立了第一条生产线，并组织了大型的发布会，致力于推广新型水性电池的产业化发展。
晁栋梁表示：“预计在 2040 年，电动汽车一定可以逐步取代传统燃油车，这对于我们所研究的电池提出了更高的要求，如果在能量密度方面进一步取得突破，相信安装了我们研发的安全水性电池的电动汽车将会跑得更远。”
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