成会明院士：发展水系锌基电池解决储能安全痛点！

“我们要采取各种手段，特别是发展高新技术才有可能实现习近平总书记提出的“3060”碳达峰碳中和的目标。”7月17日，在“2024中国国际新型储能发展峰会（INES2024）”上中国科学院院士成会明如是说道。而依托深圳的人才储备和科技创新优势，中国科学院深圳先进技术研究院碳中和技术研究院、深圳理工大学正进一步突破本征高安全的水系锌离子电池技术研发，加快实现技术转移和成果转换，引领并带动我国储能产业的发展。

实现碳达峰、碳中和最重要的关键是能源结构调整，对我国来说压力非常大，因为我国现在的能源结构以煤炭为主。另外，实现“双碳”目标的时间非常紧迫，因为到现在为止我国还没有碳达峰，2030能否达峰还需要努力，即使2030年达峰了，到2060年实现碳中和，也只有30年的时间，这就更需要发展各类先进的碳中和技术。

能源结构调整非常重要的是，必须从现在的化石能源过渡到可再生能源，而可再生能源无论是现在比较广泛发展的太阳能、风能和水能，它都有依赖于气候和地理等环境因素，所以就有了间歇性、随机性和不稳定性。那么怎么办呢？就需要发展高效、低成本的先进储能技术，来支撑可再生能源的发展。

先进储能技术具有哪些标志性的指标？毫无疑问高安全性肯定是最重要的，因为要大规模使用储能技术，如果不安全的话会发生灾难性的事故。储能需要经济性，所以长寿命也非常关键。还要与电网结合起来，所以功率特性要比较好。电储存起来，需要的时候要用，所以转化效率需要高。低成本大规模毫无疑问也是我们所需要的。环境的适应性，在长时间尺度，假定8小时储能，美国需要25TWh，长时间尺度也非常重要，在储能领域关键的技术就是如何实现长时储能。还有尽可能不要给资源带来太大的压力，要可回收、可持续发展，形成绿色的循环经济。我国幅员辽阔，北边漠河冬天零下负50度，南海夏天可能是在正的60度，所以要适应全区域的气候，具有很好的环境适应性。

发展多种多样的储能技术，包括物理储能、化学储能。刚才陈老师提到，物理储能目前以抽水蓄能为主的储能技术，电化学储能发展非常迅猛，包括热储能、氢储能等各种手段，可以说是百花齐放、百家争鸣。目前来看，电化学储能发展非常迅猛，包括钠离子电池、锂离子电池、铅锌电池、液流电池等。

目前锂离子电池发展非常快，中国已经占据了全世界产量的70%左右，出货量也非常大，主要用于消费电子、动力电池、储能电池，而储能电池的增长非常快。这就带来了一些问题：首先是安全性，要解决安全性基本是两种路线，一是发展固态电池，但需要具有高的离子传导率的固态电解质。而一旦变成固态，离子在固态电解质的传递速度远远低于液态，所以难度非常大。二是发展本征比较安全的水系电池，液流电池也是其中的一种。其次是耐苛刻环境，高低温、极端环境。在北方冬天要加热，在南方夏天要降温，所以能耗非常大。最后是资源问题，要把现有的资源用好，这么多锂离子电池怎么办？必须做好回收再利用，从环境、资源、可持续发展角度都是必要的。中科海纳现在开始释放钠离子电池的规模储能系统，现在有很多科学家发展双离子电池、多价离子电池，如钙、铝、镁，这些都是资源非常丰富的金属元素。还有有机电池，不用金属元素就用碳氢氧氮合成，通过化学手段合成，减少对金属资源的依赖。

水系电池是本征安全、环境友好的储能技术，相对来说锌资源比较丰富。原料是锌资源，所以资源可持续、成本比较低，水系锌环保的优势比较突出，它具有高比容量、低成本、高功率、长循环、易回收等优点。当然也面临很多挑战，因为用锌负极，需要发展新的正极材料。如果跟其他电池做一个类比，锌电池在能量密度、循环寿命和成本上还存在一些问题。

锌离子电池国内外都非常重视，锌离子电池研究从几个方面：电极材料开发特别是正极材料开发，优化电解液，如何能够使锌负极更加安全有效的使用，从这些方面开展相关的工作，当然进展也比较大，包括锰基正极、钒基正极、普鲁士蓝有基正极等，以及深共晶电解液、凝胶电解液的调制等方面都取得了相应的进展。

锌离子电池在水系环境中的热力学和电化学稳定性是这个领域所面临的关键科学问题，这是影响电池寿命和安全性的主要问题。面临着三类挑战：一是因为是水系，所以电化学窗口较窄；二是面临着锌负极的析氢反应，它会腐蚀，跟金属锂电池一样会产生枝晶；三是在充放电过程中电极材料结构容易失稳，从而使循环寿命下降。

针对这三类挑战（稳定性差、锌负极析氢腐蚀发生反应、水和锌离子与正极的强静电作用导致材料失稳），研究团队分别开展了相应工作：采用聚合物链与水分子的相互作用锚定自由水，从而得到凝胶化的电解质，扩展电化学窗口或寿命；试图构建电子离子的高效传输通道，抑制或消除界面处的副反应，从而形成比较稳定的界面；发展有极正极材料弱化强静电作用。

第一方面是电压窗口调控。纯水的稳定电压在1.23V，可以加入锌盐配置水系电解液，拓展电化学窗口，一般来说电压窗口在2V。进一步提高锌盐浓度，可以把电解液电压窗口提高到3V，但是超高的盐含量，无疑会造成电解液成本的显著增加。所以我们提出采用电解质凝胶化策略，通过在电解质中加入聚合物，使聚合物链与水分子相互作用牢固地锚定自由水，从而拓展电化学窗口。提出了以凝胶-聚丙烯酰胺基锌离子凝胶电解质，在天然的高分子凝胶上接枝，这样可以使离子传导率提高3倍。主要是聚合物上面含有酰胺基、羟基、氨基等极性亲水基团，有效拓宽电压窗口到2.8V。

凝胶中水分子以三种状态存在：自由水、中间态水和结合水。结合水是和凝胶高分子形成强氢键作用的水分子，通过控制结合水从而提高热力学稳定性，使析氧和析氢的过电位增高，从而控制析氧和析氢。比较理想的水凝胶结构应该具有比较高的结合水的比例，比较强的分子链间的氢键作用，比较快的离子传输。沿着这样的要求来开展相关工作，包括增加亲水基团的种类、数量等拓展，进一步得到了多重网络的水凝胶电解质，它的电压窗口可以扩展到3.1V。

电解质不仅具有高的离子传输能力，同时需要具有比较高的强度，主要防止控制枝晶穿刺，缠结与交联叠加的设计思路可以使抗拉强度得到提升，大概是对比样品的14倍，从而控制枝晶穿刺的能力。

这种策略具有普适性，有机溶剂与水分子的强氢键作用具有普适性。最近采用了含有溶剂化增强剂+功能添加剂+水的三元复合电解液，这个电解液的成本相对低，可以拓宽电化学窗口到3V左右。

最后发现这样一种电解液确实具有比较好的循环性能，累计可以跑41000毫安时每平方厘米，而且能够很好抑制锌负极的腐蚀与析氢。

第二方面需要控制锌负极的腐蚀、析氢或枝晶。主要要稳定锌负极与电解质界面。锌负极比做锂负极难，因为它有析氢反应、腐蚀反应、枝晶，所以在这方面进行了相关的探索。

通过研究发现，锌负极的失效机制大概可以分两类，一类是短路失效，一类是极化失效。在低放电深度循环下容易造成短路主导的失效，高放电深度循环容易造成极化失效。搞清失效机理就可以针对失效机理提出相应的解决策略。比如说提出锌负极诱导的氧化还原聚合机制，锌负极像催化一样可以诱导氧化还原，这样就可以直接在锌负极上进行原位聚合凝胶电解质，从而稳定界面，提高循环稳定性。研究发现原位对成电池具有超长的循环寿命，放电深度提高到43%也能稳定运行1200个小时。

这个策略也具有相应的普适性，所以基于锌负极与添加剂的动态交联反应来构建保护层，保护层成分不是非常复杂，它有一个有机外层，有一个无机内层，从而阻碍活性水与锌的接触。

研究发现温度对锌负极失效具有比较大的影响，低温下容易出现枝晶和死锌，高温下容易发生副反应和极化现象。所以针对这个问题提出了“阴离子-共溶剂竞争的温度自适应电解质”这样可以平衡各组分至今的溶解能力，产生对温度敏感的可变溶剂化构型，提高锌负极在比较宽的温域下的可凝性。这个工作在今年刚刚发表。

在讲完比较偏基础的机理、稳定策略等方面，我们还在应用开发方面进行了相关的工作。包括负极的表面改性、凝胶电解质制备技术、高载量干法电极技术、隔膜改性技术。同时建立了小试线，主要是与港华能源合作，共建了储能联合创新中心，小试线可以进行相关的新技术导入与新概念验证，目前正在构建锌电池基UPS不间断电源与数据基站应急电源示范。

可再生能源的高效利用离不开先进储能技术，因为这个支撑是必要的，只有发展了先进储能技术才真正使新的能源架构得到有效的使用。储能市场的需求是多样性的，所以需要发展多种储能技术。其中电化学储能技术前景最为广阔。水系电池具有本征的安全特性，有可能解决电池的安全痛点问题，但面临的挑战也非常大，还需要多方共同努力。