撰稿丨电池中国
11月18日-20日，第九届动力电池应用国际峰会（CBIS2024）在中国上海举行。本届峰会以“向新·融合——开创产业合作新时代”为主题，由中国化学与物理电源行业协会联合电池中国网共同主办，广东利元亨智能装备股份有限公司总冠名。在峰会开幕式环节，中国科学院院士成会明作主旨报告。
尊敬的司梅女士、伊戈尔先生、格伦先生，孙老师、王泽深秘书长、刘金成董事长等各位董事长、企业家，大家早上好。我参加了两三次这个论坛，首先祝贺CBEA十周年，虽然一晃就过去了，但是电池领域的成长十周年是突飞猛进。十周年电动车增长了100倍，电池也是相应的增长。我今天跟大家做一些分享，主要是我们最近针对电池发展做的一些工作，有一些还不成熟，请大家批评指正。能源结构是从化石能源向可再生能源转换，化石能源向可再生能源转换就依赖于储能，因为可再生能源主要是太阳能和风能，依赖于地理、气候环境等因素具有不确定性、间歇性、不稳定性，我们就需要发展先进的高性能的储能技术，包括储热、储氢、储电。先进储能技术必须安全，特别是储能。大楼里面安装的储能装置如果出了问题，影响非常大。当然长寿命、低成本、环境适应性、可持续发展，这些都是非常重要的指标。储能有多方面，储电又分两大类：1，物理储电；2，电化学储电。电化学里种类又非常多，从锂电到正在兴起的钠电、液流、铅酸等多个方面，从现在储能的装机看很显然先进储能技术的比例越来越大，而像抽水蓄能这种物理比例正在变小，当然先进储能现在还是以锂离子电池为主达到98%。这个数据是比较老的数据，刚才泽深秘书长告诉大家今年1-10月份已经900多GWh超过了2023年全年的量。更值得注意的是，他刚才给了一个数据其他电池是160GWh增长是143%，这就充分说明了现在我们整个电池领域动力电池在增长，消费电池在平稳。但储能电池这部分在快速增长，因为储能这个领域市场空间非常大，所以如果它快速增长给我们电池带来一系列挑战，包括安全性、苛刻环境、资源问题。所以我们就必须针对这样一些问题开展相关的研究、开发和产业化，当然这需要学界、产业界的共同努力。从安全性来说现在两大方面：1，固态电池；2，水系电池。从资源问题来说一方面我们要发展资源丰富的电池，包括钠、锌、铝、镁、钙等，还有我们也必须注重现有特别是锂离子电池的回收与利用。我们团队针对这些方面开展了研究，所以我今天跟大家介绍四个方面，首先是新型固态电池。固态电池的核心大家都知道是固态电解质，现在发展的固态电解质分两大类：无机、有机。无机里又分硫化物、氧化物、卤化物，我们还可以将无机和有机进行复合，这些大类的电池都各有优缺点，总体来看动态电解质不管是无机还是有机，室温离子都非常机，而且低温性能更差。现在虽然只关注锂电和钠，但是如果要考虑到今后的多价离子的话，实际上固态电解质多价离子的导电离会更差，需要我们在这方面开展探索。从传导机制，无机固态电解质主要是利用晶格跃迁，而聚合物质我国固态电解质主要是采取链段摆动的传统机制。相关的问题是无机主要有不稳定，容易与空气中的水反应，还有界面接触差，所以我们需要改进界面甚至加很大的压力。有机固态电解质的问题是室温传导率更差，比无机还要差，而且热稳定性差。我们在就想有没有发展新的固态电解质或者是采用新型的离子传导机制呢？因为我主要从事低维材料包括一维、二维材料的研究，我们就考虑是否可以利用二维限域空间实现高离子传导，通过前人和我们自己的研究发现，发现二维限域空间可以加速离子传导。为此我们在这个方面进行了一些非常基础性的探索，包括发展无机二维材料、有机/无机杂化材料、二维有机分子、自主装材料。我们发现在二维过渡金属硫磷化物的材料里面，如果我们有意识的制造缺陷，它的传导力会极大的提升，相关的工作发表在《science》上。但是二维固态离子传导，在二维的方向上很快，但是在另外一个方向上有层间的传导比较差，我们必须要克服这样的缺点。我们提出一个设计思想，采用二维有机固态电解质，但是增加三维的传导，所以我们叫二维有机筛固态电解质，这样的话既可以在二维链内利用德拜弹射效应促进传导，同时可以通过这个筛网结构在三维空间获得传导。我们提出的二维固态电解质因为它是有机的，所以它的工艺特性非常好，可以采取多种方式进行制备，而且柔韧性很好。从初步的研究发现它的室温离子可以达到1毫西门子，也就是说跟无机固态电解质相当。而且我们也对它的环境、耐受性、阻燃性、高温稳定性进行了相关的研究，都极大优于现有的有机固态电解质。我们也发现二维有机固态电解质具有比较宽的电压窗口高达4.5V，因此可以跟高电压的正极材料匹配。这样我们就做了一些初步的探索，比如与磷酸铁锂进行配合，加了5个Mpa的压力，在500圈高链负载的情况下具有比较好的性能，而且它在0度也具有比较好的性能，也可以适配高电压正极材料，在室温下具有比较好的倍率特性。而且这个电解质还有一个好处它遇水不分解、结构稳定，对它的循环做了研究发现它老化后还能稳定使用，所以我们认为这个有机固态电解质有可能是一个很有潜力的固态电池的电解质。我们也分析了它的价格基本上跟聚合物的价格相当，跟无机固态电解质比非常有优势。总而言之固态电解质具有比较均匀的性能也有比较好的成本和工艺特性，目前我们正在加紧开发。第二方面为了适应苛刻的环境我们必须开发宽温锂电池，这个我以前也跟大家介绍过，我们选择的方式与一般的有点不同，我们主要是在负极上面做点文章。大家知道铝负极可以发生核净化反应，有可能作为负极材料使用。它和石墨负极比有比较合适的处理电位，可以抑制低温吸力，因为是核进化反应，所以在电解液的选择方面范围比较宽。铝负极也有很大的问题，和我们做硅负极一样，具有体积膨胀粉化的问题，而且合金化反应容易沿晶，主要在金件上出现沿晶开裂、反应不均等问题，所以我们需要研究。研究的手段主要是与碳复合，这与我们做硅碳负极完全相同。经过大概近十年的努力，成功地开发出了铝碳负极材料，可以与我们现有的正极相匹配，包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元匹配的正极不同、工作温度不同，但是他们的低温性能都非常好，而且循环性能、倍率特性也很好。总体来说和现有的锂电比，具有能量密度安全、宽温域和高功率的优势，所以我们也进行了相关的中试和放大，现在也在进行产业化建设。今年一月在漠河做的实验，湖南卫视找到我们，发现确实在零下40度我们的电池可以充电，可以放电，工作良好。今年准备搞一个电动车在磨合试行。现在电池用量这么大，不管是动力还是储能，总有一个寿命问题。现有的回收方法多是火法和湿法。我们归纳了一下基本上从分子到元素、原子再到分子，所以这个过程是非常冗长的，而且能耗高、环境污染。我们提出了一个方法是从分子到分子，也就是说我们是将以实效的锂离子正极材料和它进行修复，让它直接使用。所以这个过程是不破坏原子间的共价键，所以所需能量比较低，流程比较短。升级修复把低价值修复为高价值的，比如说把低电压修复为高电压的；拓展应用是拓展到其他领域，比如说催化剂等领域，举两个简单的例子，因为我们最近发现了锂化物，可以直接修复三元材料，而且在近室温条件下就可以修复。用我们自己车检实现的锂离子电池，也包括从商业化购买的像523的黑粉进行修复，可以看到蓝色的曲线修复后的材料甚至比原始材料的性能还好。我们对它做了个技术经济分析，很显然能耗低、环境污染小、经济效益好。另外我们充分利用失效锂离子电池材料的特点，具有缺陷、裂纹，而这些缺陷、裂纹正巧是我们掺杂的驱动力，所以我们可以利用这些特点在掺杂量非常小的情况下对材料进行均匀掺杂，比如掺杂铝、镁，虽然掺杂量很低但我们能够实现很好的均匀掺杂从而提升性能，这个材料就可以在4.6V下循环稳定使用，这是一个典型的升级修复的例子。目前我们也在深圳成立了一家公司，现在百公斤级的中试已经完成正准备向进一步产业化推进。我们知道水系电池具有本征安全，我们选择锌的话具有资源丰富的特性，所以总体来说它具有比较好的优势，但它也具有很大的问题，比如它的电压窗口窄，电压低意味着能量密度非常低，另外它的界面稳定性差、正极材料容易结构失稳，针对这些问题我们也开发了相应的策略，比如电解质凝胶化等这样一些因素。我们发现如果采用凝胶化的电解质不仅能够提高它的离子传导而且可以扩展它的电压窗口，进一步提出含有溶剂化增强剂+功能添加剂+水的三元复合电解液，可以将电化学窗口拓展到三伏。我们也认真分析了锌负极容易发生的比如析氢、腐蚀、钝化、枝晶等这一系列反应，针对这些反应我们进行研究，比较有意思的是我们利用锌负极本身具有的催化、氧化、还原的反应特性构筑了具有化学键合的凝胶电解质和锌的负极界面。也就是说这个凝胶电解质可以在锌的诱导下直接发生原位聚合，氧化还原聚合形成相应的化学反应，从而来控制它与水的反应特性，阻碍与锌的接触，使它的稳定性得到极大的延伸。我们也在做相应的中试开发包括表面改性，凝胶电解质制备，干化电解技术和隔膜改性技术，希望在做基础研究的同时，也能够把基础研究的部分结果尽快导入到应用中。我们也与香港公司中华煤气在大陆成立的港华能源合作，共建了储能联合创新中心，建了一个小试线，我们希望把先把锌电池在UPS不间断电源等应急电源上进行示范，从而再进一步的推广应用。以上和大家简单介绍最近开展的一些工作，总之先进储能技术是可再生能源大规模利用的不可缺少的支撑技术，而且我们现在储能市场从动力到储能、消费电子等等，储能又分园区、建筑、大规模储能等多方面。所以我个人觉得，我们会有多种储能技术长期共存，但是电化学储能可能是前景最为广阔的。要考虑到未来大规模电化学储能的发展，我们就必须发展可持续的电池技术，具有可持续本着安全的特性，可以解决现在的安全痛点、资源痛点等难题。但是事实上我们面临的挑战也非常大，需要我们产、学、研、政、经结合在一起，这个主题向新融合共同发展，感谢我的团队包括中科院深圳先进院、清华大学深圳国际研究生院、深圳理工大学的同事和同学，最后也感谢资助机构，谢谢大家，尽情批评指正。（以上为嘉宾演讲内容速记，未经嘉宾核对）
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