成會(huì)明院士：雙離子電池安全、成本優(yōu)勢(shì)明顯，在儲(chǔ)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(dòng)力電池(CIBF2023深圳)國(guó)際交流會(huì)在深圳國(guó)際會(huì)展中心(新館)隆重開幕，會(huì)議為期兩天，會(huì)議的主題為“新周期·新應(yīng)用——?jiǎng)恿﹄姵氐膭?chuàng)新與拓展”。
在大會(huì)開幕式環(huán)節(jié)，本屆大會(huì)主席、中國(guó)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(guó)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(bào)告，我也學(xué)習(xí)了很多。我本人其實(shí)沒怎么做動(dòng)力電池，盡管我們的材料、負(fù)極、碳納米管在動(dòng)力電池里有應(yīng)用，因?yàn)槲沂亲霾牧系摹Ｎ医裉炀徒o大家介紹一下我們?cè)阡囯娡卣狗矫娴囊稽c(diǎn)工作，因?yàn)檫@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(píng)指正。
圖為大會(huì)主席、中國(guó)科學(xué)院院士成會(huì)明作主旨發(fā)言
我是兩年前在中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院設(shè)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(chǔ)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?yàn)閷?shí)現(xiàn)碳中和這個(gè)遠(yuǎn)大目標(biāo)的征程中做一些貢獻(xiàn)。
我們都知道，我們現(xiàn)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(guó)前總統(tǒng)特朗普等人對(duì)二氧化碳與氣溫上升表示懷疑，但主流如聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)每五年的報(bào)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(guó)2020年向全世界宣布我們也要力爭(zhēng)2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。我個(gè)人的理解，碳中和的意義遠(yuǎn)不止僅僅為了能源安全和環(huán)境美好。因?yàn)榇蠹叶贾溃谝淮文茉锤锩侨祟悘氖褂蒙镔|(zhì)能源過渡到使用煤炭，英國(guó)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(guó)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(shí)代，中國(guó)能不能利用這個(gè)機(jī)會(huì)領(lǐng)先于世界呢?我覺得是有這樣一個(gè)機(jī)會(huì)的。
目前我國(guó)碳排放量非常大，因?yàn)槲覈?guó)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(guó)攻擊我們國(guó)家現(xiàn)在碳排放很大。我們?cè)趺醋龅竭@一點(diǎn)?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(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(shí)，生態(tài)系統(tǒng)的固碳現(xiàn)在恢復(fù)生態(tài)，固碳也會(huì)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(shí)現(xiàn)碳中和，也是我們2060年需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。我們需要實(shí)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(jìn)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(shí)還可以減排。要實(shí)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(gè)最大的問題是依賴于氣候與地理?xiàng)l件。我是農(nóng)村長(zhǎng)大的，過去都說農(nóng)民是靠天吃飯，毛主席60年代號(hào)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(diǎn)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(chǔ)存起來，或者轉(zhuǎn)化為氫儲(chǔ)存起來，這就需要儲(chǔ)能技術(shù)。
儲(chǔ)能技術(shù)在整個(gè)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(fù)荷側(cè)，都需要相應(yīng)的不同的儲(chǔ)能技術(shù)。
儲(chǔ)能技術(shù)，總體可以分三大類：熱儲(chǔ)能、電儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能。電儲(chǔ)能也可以分機(jī)械儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能。我們今天可能更多的是考慮電化學(xué)儲(chǔ)能。
剛才大家都提到我國(guó)鋰離子電池在國(guó)際上占據(jù)了統(tǒng)治地位，1000GWh里我們有750GWh。同時(shí)，電化學(xué)儲(chǔ)能在儲(chǔ)能領(lǐng)域的增長(zhǎng)也是呈指數(shù)型的，盡管現(xiàn)在儲(chǔ)能還是以抽水儲(chǔ)能為主，但考慮到今后在用戶側(cè)的使用，可能電化學(xué)儲(chǔ)能的發(fā)展會(huì)迅猛增長(zhǎng)。整體市場(chǎng)規(guī)模，我個(gè)人認(rèn)為應(yīng)該是大于動(dòng)力電池的。這樣就需要一系列儲(chǔ)能系統(tǒng)。當(dāng)然，現(xiàn)在鋰電是最為成熟的一個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能手段。這里面我們也面臨了一些問題，特別是在儲(chǔ)能領(lǐng)域。剛才歐陽(yáng)老師也提到安全性問題在儲(chǔ)能領(lǐng)域可能比動(dòng)力電池更重要。因?yàn)樗?guī)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(qū)，儲(chǔ)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(dāng)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(jī)理跟鋰離子電池不一樣，鋰離子電池是鋰離子在正負(fù)極里儲(chǔ)存，雙離子電池是陰陽(yáng)離子協(xié)同氧化還原反應(yīng)，是分別在正負(fù)極里進(jìn)行儲(chǔ)存。相對(duì)而言，雙離子電池有可能會(huì)有安全優(yōu)勢(shì)、成本優(yōu)勢(shì)，是有可能在儲(chǔ)能領(lǐng)域里有比較好的應(yīng)用。事實(shí)上國(guó)際純粹與應(yīng)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(fù)極里進(jìn)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(gè)領(lǐng)域開展工作，唐永炳團(tuán)隊(duì)首次報(bào)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(fù)極，它的處理點(diǎn)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(shí)分別在正極和負(fù)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(fù)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(jìn)行改進(jìn)。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(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(shè)計(jì)，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(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?yàn)樗岣吆螅瑐髻|(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(shí)，來構(gòu)筑“點(diǎn)-線-面”分級(jí)結(jié)構(gòu)，從而提高比較高的負(fù)載量，來改進(jìn)它的循環(huán)穩(wěn)定性。
有意思的是我們?cè)谘芯窟^程中，同時(shí)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(fù)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(cè)試，包括電動(dòng)汽車、電動(dòng)兩輪汽車的的頭部企業(yè)測(cè)試。目前我們?cè)谥袊?guó)石油的支持下開展這個(gè)電池的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，估計(jì)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(gè)跟鋰離子電池爭(zhēng)資源的問題，所以我們進(jìn)而也擴(kuò)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(gòu)建鈉、鉀雙離子電池，還是采用合金化負(fù)極手段來進(jìn)行。
我們對(duì)它相應(yīng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)，由于時(shí)間關(guān)系，不詳細(xì)介紹。比如三維多孔結(jié)構(gòu)等等(見PPT)。
因?yàn)殁c、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(dǎo)鈉、鉀離子的擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)和鋰很近，儲(chǔ)量也很豐富，我們就開展了這樣一個(gè)體系的研究。
但鈣離子電池在電化學(xué)反應(yīng)過程中，費(fèi)米能級(jí)高，導(dǎo)致室溫下不可逆轉(zhuǎn)。我們還是采用合金化設(shè)計(jì)，采用一個(gè)合金化的負(fù)極來降低費(fèi)米能級(jí)和抑制鈍化膜。采用計(jì)算機(jī)模擬手段，來尋找相應(yīng)的合金化負(fù)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(jìn)，可以在室溫下實(shí)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(shí)也需要研究電芯的失效機(jī)理等等，這方面需要我們進(jìn)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(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(xiàn)在循環(huán)壽命還是比較短，所以我們還需要進(jìn)一步開展。
我認(rèn)為雙離子電池技術(shù)在未來儲(chǔ)能領(lǐng)域有它的應(yīng)用前景。當(dāng)然，我們還需要做非常多的研究。
最后，感謝同事和資助機(jī)構(gòu)，特別是蔣春磊、張帆。最后也謝謝大家，歡迎大家批評(píng)指正，謝謝!
(以上為演講速記，未經(jīng)演講者審閱。)
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