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最大特点是安全:下一代锌电池来了

作者:韩扬眉 来源:中国科学报 发布时间:2020-09-23 浏览:
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作者 | 韩扬眉

随着电力交通市场的迅猛发展以及各种电子设备的层出不穷,对安全电池的需求愈发迫切。寻找下一代电池,成为学术界和产业界共同关注的焦点。

日前,韩国科学技术研究院(KIST)储能研究中心宣布开发出下一代二次电池,这种电池使用金属锌作为负极和水系电解液,没有任何爆炸或起火危险。

锌是一种储量丰富、安全且可回收的金属。以金属锌作为电极、使用中性或微酸性水系电解液体系的锌电池,具有高安全性、低成本等优势,被认为是下一代具有产业化前景的储能技术之一。

推陈出“锌”

在日益严重的环境污染和能源危机背景下,探索清洁、可再生的储能技术,对人类社会可持续发展十分重要。

过去的数十年里,锂离子电池因其具有较高的能量密度、良好的循环稳定性和较低的自放电等特点,成为电池技术研究和产业应用的“宠儿”。然而,随着锂离子电池的应用普及,储量有限的锂资源、严重的安全隐患及成本高等问题,限制了锂离子电池在储能领域的大规模应用。

近年来,锌电池受到越来越广泛的关注。复旦大学教授王永刚告诉《中国科学报》,锌电池采用具有高容量、环境友好、成本低廉等优势的锌金属作为负极。“类比锂离子电池与锂电池的分类名称,该类电池名称应为锌电池。”

“相较于锂离子电池通过一价锂离子的输运实现能量存储,锌电池是通过二价锌离子进行能量存储,实现了两电子转移,具有更高的存储容量和安全性。”中南大学材料科学与工程学院特聘教授周江告诉《中国科学报》。

与锂离子电池相比,锌电池最被人看好的特点便是安全。

新加坡南洋理工大学教授范红金介绍,与基于易燃、有毒的有机电解液的电池相比,目前锌电池均为水系,即电解液是水,安全性更高。同时,成本更低、对环境更友好。

周江说,锌电池优势比较明显,比如电解液采用高纯水加入合适的锌盐等添加剂调配,正负极材料不含锂、钴等稀缺金属。另外,该电池更易组装,且组装完全可以在空气中进行,不需要严格、苛刻的惰性气体保护等条件。

过去,锌电池是一次性电池,即不可充电电池,比如传统碱性Zn-MnO2电池等。“下一代锌电池的目标是,将其发展为二次电池,即能够充放循环的电池。”王永刚说。

革故鼎“锌”

锌电池优势突出,但在正负极材料、电解液等方面仍存在着诸多亟待攻克的技术瓶颈和难题。

正负电极材料的溶解和腐蚀问题就是难点之一。在周江看来,保证负极材料具有长期稳定性,包括搁置稳定和电化学反应稳定,是锌电池发展的主要瓶颈。他认为,“技术难点在核心材料的发展,要重点突破材料的创新。”

王永刚也认为,锌电池最主要的技术瓶颈在于正负极材料,比如,负极金属锌遇水发生反应,会被腐蚀;此外,金属锌的利用率低,尚不足0.6%;在正极材料中,由于二价锌离子电荷密度大,充放电过程中易发生粉化、结构坍塌的问题。

“目前大家关注的重点在于优化改进正负极的电极材料和电解液,它影响着整个电池的稳定性和循环寿命。”王永刚说。

关于电解液的问题,范红金告诉《中国科学报》,水系电解液的电压窗口太窄,使得水系锌电池的稳定电压比有机电解液低,一般在2伏以下,这严重限制了该电池体系的能量密度,而锂离子电池则在3~4伏之间,能量密度较高。

“为了避免水在高电压下的分解产气问题,大家正在寻求各种途径,比如电解液添加剂、优化电解质、提高正负极材料对水分解反应的势垒、新的反应机理等等。这方面阿德莱德大学开发的锌—锰电解槽电池提供了一个全新的思路,最近两年在电压上取得了长足的进步。”范红金说。

此外,范红金还提到锌金属负极存在的锌枝晶问题。事实上,枝晶是电池诸多问题的“祸根”,锌枝晶会降低电池循环性能,缩短使用寿命、穿透隔膜,也是电池短路、爆炸等安全问题的重要因素之一。

当下,由于需求驱动,国内外均在锌电池研究和应用方面有所布局,研究深度和广度不断延伸。在专家们看来,随着我国国家政策的支持、越来越多研究力量的投入,中国锌电池发展势头愈发迅猛,将在国际舞台上占有一席之地。

“当前我国锌电池的发展与世界在同一起跑线上。”周江表示,从刚开始主要集中在正极材料开发和探索、机理分析、容量衰减机制研究,到目前集中在电解质(液)以及锌负极材料的开发和优化研究,随之而来的是各种锌基柔性、可穿戴式等器件的相关报道。

“下一步,亟须开发高可逆金属锌负极,研发高稳定性和高离子导通性的电解质材料。而在锌电池基础上构建全新的体系尤为重要,比如锌基液硫电池、无金属锌负极的锌离子电池、锌空气电池等。”周江说。

“锌”新向荣

锌电池未来的市场在哪里?下一代锌电池又将如何发展?

范红金表示,锌电池的市场主要有两类,一是诸如电动汽车电池等消费类电池,二是收集风能、太阳能等的大规模静态储能电池系统。而在电压窗口尚未突破的情况下,后者是短期内更具前景的应用场景。

“未来,还应在提高工作电压窗口、材料稳定性,以及深入了解储能和反应机理等问题上继续发力。”范红金说。

王永刚认为,未来,锌电池的发展路线有3种。一是从含水的电解液向添加有机溶剂的电解液过渡,以此避免锌腐蚀问题;二是电解液从固定向循环流动过渡,比如走液流电池路线等;三是电极材料采用有机加无机的复合材料,充分利用有机物的稳定性和无机物导电性强的优点。

水是流动的,也是柔软的,基于此,科学家们还看到了水系锌电池在柔性电子器件的光明前景。

随着柔性显示设备、健康监护仪、电子传感器和电子皮肤等可穿戴式/可植入电子器件等的不断开发,水系锌电池作为高安全性、可弯曲、电化学性能优异的储能体系将成为未来研究的重要方向之一。

前不久,锌电池的产业化应用迈向了新台阶。中国科学院大连化学物理研究所研究员李先锋和张华民领导的科研团队自主开发的10千瓦级碱性锌铁液流电池储能示范系统投入运行。

经现场测试,该示范系统在额定10千瓦功率下运行时的能量效率为78.7%。该碱性锌铁液流电池示范系统的成功运行,为今后工程化和产业化开发奠定了基础。

“从当前趋势来看,锌电池产业前景比较好,但亟须解决金属锌负极应用问题,提高稳定性和可逆性,确保金属锌电极的反应效率高达99%,抑制析氢和腐蚀。同时,协同电解液(质)的革新和优化,推动该电池体系的实际应用。”周江说,现在越来越多的课题组投入到锌电池的研究事业中,他希望企业也能够积极加入,早日布局和储备新型规模储能技术。

“当然,发展并不是孤立的,在锌电池研究过程中也会触及到其他水系离子电池的发展,希望在我们的共同努力下,把绿色、环保、健康的电池体系带给社会。” 周江补充道。

《中国科学报》 (2020-09-23 第3版 能源化工  原题为《下一代电池“锌”然而至》)

关键字:储能电池

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