復旦大學晁棟梁：開發高安全、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《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”（TR35）全球-亞太區線下發布儀式在杭州未來科技城成功舉辦。本次活動由杭州未來科技城（海創園）管委會指導，DeepTech 主辦。

作為 TR35 的 “老人”，復旦大學教授、《今日能源材料》副主編晁棟梁針對近幾年“安全水性電池”的市場現狀及未來趨勢分享了自己的看法。

由于傳統化學能源的燃燒和資源的加速消耗，對能源和環境帶來了嚴峻的挑戰，二氧化碳排放量作為衡量環境問題重要的指標，引起社會各界高度重視。晁棟梁用可量化的具體數據，展示了最近這幾年一些重要國家和地區關于二氧化碳排放量的總結以及對未來預測。

從這些數據中可以看出，包括歐盟、美國、日本在 1979 年和 2007 和 2013 年就已經實現了碳達峰的愿望。中國加入了 WTO 之后，發現碳排放量極具增高，從側面說明了歐美等國家通過對中國貿易利差等策略，間接將碳排放轉移到中國，由此可見在中國加入了 WTO 之后雖然經濟增長得到了快速發展，但是帶來的環境問題也日益突出。

晁棟梁表示：“為了滿足 ‘碳達峰’ 的要求，我們可以快速地提高二氧化碳的排放量，讓它快速達到峰值，這樣必然會帶來更為嚴峻的環境問題，所以我們要綜合考慮，制訂更加妥善的策略緩慢實現‘碳達峰’，并且需要有節奏地控制二氧化碳總的排放量。”

解決電池技術等難題，尋找 “碳達峰” 目標有效方案

為了應該有碳排放給大氣環境帶來的嚴峻挑戰，中國 “十三五” 規劃及發改委相關意見提出，在 2030 年實現 “碳達峰 ”這一宏偉目標，晁棟梁建議個人和團體要在日常生活和工作中不斷地實現碳的負排放，截至 2060 年實現“碳中和”的愿望。

作為全球第二大經濟體，中國一直致力于將可持續發展作為長期的戰略目標，隨著人均收入進一步提升，中國市場乘用車銷量呈現井噴式的發展。2020 年初至今，像蔚來、理想、小鵬等新能源汽車廠商成為人們熱議的話題。

前不久，國務院發布了 2030 年前 “碳達峰” 行動方案，預計要在 2025 年實施新型儲能裝機容量達到 3000 萬千瓦以上，并且大力推廣電動汽車發展，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的電池一直推動和影響著能源汽車的發展，電池技術也一直在突破，最早有愛迪生發明的鎳隔蓄電池、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保和安全著稱。

科學界對于鋰電池技術的探索從未停止，鋰離子電池方向研究者在 2019 年也獲得了諾貝爾化學獎，該獎項表彰了科學家分別在電池正級、負級以及產業化推廣中對鋰離子電池發展所做的貢獻。

當技術進一步升級，工業化產能繼續擴大，自然會普及到大眾消費者生活中。打開手機殼，在背面可以發現超大的軟包鋰離子電池，該類鋰電池主要包括正級負級和隔膜和電解液組成，研究顯示如果進一步依賴鋰離子電池并且推廣，在近幾年之內沒有太大問題，但是到了 2030、2040 年鋰的提供給量可能跟不上發展需求。

針對這個需求晁棟梁在博士期間大力研究鈉離子電池的應用，發現在全球內占有量第四大的鈉元素是不錯的替代物，因此發展鈉離子電池可以壓縮電池成本和實現電池的規模化發展。

晁棟梁表示：“這些其實還不夠，因為包括鋰離子電池和鈉離子有機電解液作為大量添加，當遇到緊急情況包括高溫爆炸，不可避免發生燃燒或者爆炸的風險，曾經發生過很多典型的案例，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生電動自行車自燃、自爆。”

由于電池安全性問題，給人們造成人身和財產傷亡的事件時有發生，這些案例不斷提醒用戶“安全”才是電池安身立命的根本。

致力開發一系列新型高安全、低成本水性電池

談及電池安全性問題時，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保障電池安全性和降低其成本的案例。因為水的引入使電池壽命得到限制，以及能量密度得到了限制，對水施加一定的電壓就會發生分解正級和負級分別產生氧氣和氫氣，這些副反應不僅降低了循環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展，希望能較好地解決電池爆炸這一安全問題，只是容量和壽命一直無法達到消費需求。

鋅在這些體系尤為突出，不僅是因為儲量豐富低成本，而且在水的溶液進行穩定的電化學的剝離和沉積反應，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，當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，必須在這兩個方面做提高，當前能量密度比較低，基本上都是在 100 瓦時每公斤以內。

針對水系電池的容量和電壓的問題，晁棟梁課題組在最近 2-3 年里分別從水系電池的正級、負級、電解液和隔膜角度進行努力突破，開發出一系列高安全、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”等傳統的水系電池恢復往日生機。

首先，從電壓的角度來看，水的分解電壓為 1.23V，但是通常高過這個電壓，因為極化的存在，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極的極化和電解液等界面的極化。該團隊提高水系電池的電壓的做法是將 HER 往更負的地方推，OER 往更正的地方推，這樣會產生一個 GAP 以填補兩個競爭性的反應電對，從而形成一個高的電壓差。其團隊研發的電解 Zn-Mn 體系具有兩伏的高放電電壓，更低的成本，可以做成大規模的液流模式進行大規模應用。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，成本和售價可以非常低。

從另一個角度來看，如何提高水性電池的容量也是其課題組近來一直致力于的研究方向，硫的容量密度可以達到 1000 毫安時每克以上，如果結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。

該團隊在電解液方面也做了研究，他們可以通過非常簡單的方法在傳統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水分子的一個，這種代替方式可以穩定水的結構，降低電解液分解風險，葡萄糖分子還可以吸附在鋅的表面保護鋅的負級防止枝晶的產生。

從器件的角度，該團隊還通過自上而下的合成方法得到富含孔道的微米級無鈷球鎳用作堿性鋅鎳電池，這樣的軟包電池技術在小的體積條件下實現了較高的能量密度，可以達到 150 瓦時每公斤以上。其演示了一個較小的軟包電池就可以驅動小卡車模型，而且可以承受各種安全性破壞測試，并且可以正常穩定的運行。

在應用層面，該團隊生產的新型電池已經通過了第三方測試，指出其研發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爭的潛力。其技術攻關團隊，今年一月份已建立了第一條生產線，并組織了大型的發布會，致力于推廣新型水性電池的產業化發展。

晁棟梁表示：“預計在 2040 年，電動汽車一定可以逐步取代傳統燃油車，這對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一步取得突破，相信安裝了我們研發的安全水性電池的電動汽車將會跑得更遠。”

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整理：侯旭東