成會明院士：多種儲能技術長期共存，電化學儲能前景最廣闊
11月18日-20日，第九屆動力電池應用國際峰會(CBIS2024)在中國上海舉行。本屆峰會以“向新·融合——開創產業合作新時代”為主題，由中國化學與物理電源行業協會聯合電池中國網共同主辦，廣東利元亨智能裝備股份有限公司總冠名。在峰會開幕式環節，中國科學院院士成會明作主旨報告。
以下是成會明院士主旨報告內容：
尊敬的司梅女士、伊戈爾先生、格倫先生，孫老師、王澤深秘書長、劉金成董事長等各位董事長、企業家，大家早上好。
我參加了兩三次這個論壇，首先祝賀CBEA十周年，雖然一晃就過去了，但是電池領域的成長十周年是突飛猛進。十周年電動車增長了100倍，電池也是相應的增長。
我今天跟大家做一些分享，主要是我們最近針對電池發展做的一些工作，有一些還不成熟，請大家批評指正。
能源結構是從化石能源向可再生能源轉換，化石能源向可再生能源轉換就依賴于儲能，因為可再生能源主要是太陽能和風能，依賴于地理、氣候環境等因素具有不確定性、間歇性、不穩定性，我們就需要發展先進的高性能的儲能技術，包括儲熱、儲氫、儲電。
先進儲能技術必須安全，特別是儲能。大樓里面安裝的儲能裝置如果出了問題，影響非常大。當然長壽命、低成本、環境適應性、可持續發展，這些都是非常重要的指標。
儲能有多方面，儲電又分兩大類：1，物理儲電;2，電化學儲電。
電化學里種類又非常多，從鋰電到正在興起的鈉電、液流、鉛酸等多個方面，從現在儲能的裝機看很顯然先進儲能技術的比例越來越大，而像抽水蓄能這種物理比例正在變小，當然先進儲能現在還是以鋰離子電池為主達到98%。
這個數據是比較老的數據，剛才澤深秘書長告訴大家今年1-10月份已經900多GWh超過了2023年全年的量。更值得注意的是，他剛才給了一個數據其他電池是160GWh增長是143%，這就充分說明了現在我們整個電池領域動力電池在增長，消費電池在平穩。
但儲能電池這部分在快速增長，因為儲能這個領域市場空間非常大，所以如果它快速增長給我們電池帶來一系列挑戰，包括安全性、苛刻環境、資源問題。所以我們就必須針對這樣一些問題開展相關的研究、開發和產業化，當然這需要學界、產業界的共同努力。
從安全性來說現在兩大方面：1，固態電池;2，水系電池。從資源問題來說一方面我們要發展資源豐富的電池，包括鈉、鋅、鋁、鎂、鈣等，還有我們也必須注重現有特別是鋰離子電池的回收與利用。
我們團隊針對這些方面開展了研究，所以我今天跟大家介紹四個方面，首先是新型固態電池。
固態電池的核心大家都知道是固態電解質，現在發展的固態電解質分兩大類：無機、有機。無機里又分硫化物、氧化物、鹵化物，我們還可以將無機和有機進行復合，這些大類的電池都各有優缺點，總體來看動態電解質不管是無機還是有機，室溫離子都非常機，而且低溫性能更差。
現在雖然只關注鋰電和鈉，但是如果要考慮到今后的多價離子的話，實際上固態電解質多價離子的導電離會更差，需要我們在這方面開展探索。
從傳導機制，無機固態電解質主要是利用晶格躍遷，而聚合物質我國固態電解質主要是采取鏈段擺動的傳統機制。相關的問題是無機主要有不穩定，容易與空氣中的水反應，還有界面接觸差，所以我們需要改進界面甚至加很大的壓力。
有機固態電解質的問題是室溫傳導率更差，比無機還要差，而且熱穩定性差。我們在就想有沒有發展新的固態電解質或者是采用新型的離子傳導機制呢?因為我主要從事低維材料包括一維、二維材料的研究，我們就考慮是否可以利用二維限域空間實現高離子傳導，通過前人和我們自己的研究發現，發現二維限域空間可以加速離子傳導。
為此我們在這個方面進行了一些非常基礎性的探索，包括發展無機二維材料、有機/無機雜化材料、二維有機分子、自主裝材料。我們發現在二維過渡金屬硫磷化物的材料里面，如果我們有意識的制造缺陷，它的傳導力會極大的提升，相關的工作發表在《science》上。但是二維固態離子傳導，在二維的方向上很快，但是在另外一個方向上有層間的傳導比較差，我們必須要克服這樣的缺點。
我們提出一個設計思想，采用二維有機固態電解質，但是增加三維的傳導，所以我們叫二維有機篩固態電解質，這樣的話既可以在二維鏈內利用德拜彈射效應促進傳導，同時可以通過這個篩網結構在三維空間獲得傳導。
我們提出的二維固態電解質因為它是有機的，所以它的工藝特性非常好，可以采取多種方式進行制備，而且柔韌性很好。從初步的研究發現它的室溫離子可以達到1毫西門子，也就是說跟無機固態電解質相當。
而且我們也對它的環境、耐受性、阻燃性、高溫穩定性進行了相關的研究，都極大優于現有的有機固態電解質。我們也發現二維有機固態電解質具有比較寬的電壓窗口高達4.5V，因此可以跟高電壓的正極材料匹配。
這樣我們就做了一些初步的探索，比如與磷酸鐵鋰進行配合，加了5個Mpa的壓力，在500圈高鏈負載的情況下具有比較好的性能，而且它在0度也具有比較好的性能，也可以適配高電壓正極材料，在室溫下具有比較好的倍率特性。
而且這個電解質還有一個好處它遇水不分解、結構穩定，對它的循環做了研究發現它老化后還能穩定使用，所以我們認為這個有機固態電解質有可能是一個很有潛力的固態電池的電解質。我們也分析了它的價格基本上跟聚合物的價格相當，跟無機固態電解質比非常有優勢。總而言之固態電解質具有比較均勻的性能也有比較好的成本和工藝特性，目前我們正在加緊開發。
第二方面為了適應苛刻的環境我們必須開發寬溫鋰電池，這個我以前也跟大家介紹過，我們選擇的方式與一般的有點不同，我們主要是在負極上面做點文章。大家知道鋁負極可以發生核凈化反應，有可能作為負極材料使用。它和石墨負極比有比較合適的處理電位，可以抑制低溫吸力，因為是核進化反應，所以在電解液的選擇方面范圍比較寬。
鋁負極也有很大的問題，和我們做硅負極一樣，具有體積膨脹粉化的問題，而且合金化反應容易沿晶，主要在金件上出現沿晶開裂、反應不均等問題，所以我們需要研究。
研究的手段主要是與碳復合，這與我們做硅碳負極完全相同。經過大概近十年的努力，成功地開發出了鋁碳負極材料，可以與我們現有的正極相匹配，包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元匹配的正極不同、工作溫度不同，但是他們的低溫性能都非常好，而且循環性能、倍率特性也很好。
總體來說和現有的鋰電比，具有能量密度安全、寬溫域和高功率的優勢，所以我們也進行了相關的中試和放大，現在也在進行產業化建設。
今年一月在漠河做的實驗，湖南衛視找到我們，發現確實在零下40度我們的電池可以充電，可以放電，工作良好。今年準備搞一個電動車在磨合試行。
第三電池材料的回收。
現在電池用量這么大，不管是動力還是儲能，總有一個壽命問題。現有的回收方法多是火法和濕法。我們歸納了一下基本上從分子到元素、原子再到分子，所以這個過程是非常冗長的，而且能耗高、環境污染。
我們提出了一個方法是從分子到分子，也就是說我們是將以實效的鋰離子正極材料和它進行修復，讓它直接使用。所以這個過程是不破壞原子間的共價鍵，所以所需能量比較低，流程比較短。
我們基本上是三種，直接修復、升級修復、拓展應用。
升級修復把低價值修復為高價值的，比如說把低電壓修復為高電壓的;拓展應用是拓展到其他領域，比如說催化劑等領域，舉兩個簡單的例子，因為我們最近發現了鋰化物，可以直接修復三元材料，而且在近室溫條件下就可以修復。用我們自己車檢實現的鋰離子電池，也包括從商業化購買的像523的黑粉進行修復，可以看到藍色的曲線修復后的材料甚至比原始材料的性能還好。我們對它做了個技術經濟分析，很顯然能耗低、環境污染小、經濟效益好。
另外我們充分利用失效鋰離子電池材料的特點，具有缺陷、裂紋，而這些缺陷、裂紋正巧是我們摻雜的驅動力，所以我們可以利用這些特點在摻雜量非常小的情況下對材料進行均勻摻雜，比如摻雜鋁、鎂，雖然摻雜量很低但我們能夠實現很好的均勻摻雜從而提升性能，這個材料就可以在4.6V下循環穩定使用，這是一個典型的升級修復的例子。目前我們也在深圳成立了一家公司，現在百公斤級的中試已經完成正準備向進一步產業化推進。
最后給大家介紹下我們在水系電池方面的研究。
我們知道水系電池具有本征安全，我們選擇鋅的話具有資源豐富的特性，所以總體來說它具有比較好的優勢，但它也具有很大的問題，比如它的電壓窗口窄，電壓低意味著能量密度非常低，另外它的界面穩定性差、正極材料容易結構失穩，針對這些問題我們也開發了相應的策略，比如電解質凝膠化等這樣一些因素。
我們發現如果采用凝膠化的電解質不僅能夠提高它的離子傳導而且可以擴展它的電壓窗口，進一步提出含有溶劑化增強劑+功能添加劑+水的三元復合電解液，可以將電化學窗口拓展到三伏。
我們也認真分析了鋅負極容易發生的比如析氫、腐蝕、鈍化、枝晶等這一系列反應，針對這些反應我們進行研究，比較有意思的是我們利用鋅負極本身具有的催化、氧化、還原的反應特性構筑了具有化學鍵合的凝膠電解質和鋅的負極界面。
也就是說這個凝膠電解質可以在鋅的誘導下直接發生原位聚合，氧化還原聚合形成相應的化學反應，從而來控制它與水的反應特性，阻礙與鋅的接觸，使它的穩定性得到極大的延伸。我們也在做相應的中試開發包括表面改性，凝膠電解質制備，干化電解技術和隔膜改性技術，希望在做基礎研究的同時，也能夠把基礎研究的部分結果盡快導入到應用中。
我們也與香港公司中華煤氣在大陸成立的港華能源合作，共建了儲能聯合創新中心，建了一個小試線，我們希望把先把鋅電池在UPS不間斷電源等應急電源上進行示范，從而再進一步的推廣應用。
以上和大家簡單介紹最近開展的一些工作，總之先進儲能技術是可再生能源大規模利用的不可缺少的支撐技術，而且我們現在儲能市場從動力到儲能、消費電子等等，儲能又分園區、建筑、大規模儲能等多方面。
所以我個人覺得，我們會有多種儲能技術長期共存，但是電化學儲能可能是前景最為廣闊的。要考慮到未來大規模電化學儲能的發展，我們就必須發展可持續的電池技術，具有可持續本著安全的特性，可以解決現在的安全痛點、資源痛點等難題。
但是事實上我們面臨的挑戰也非常大，需要我們產、學、研、政、經結合在一起，這個主題向新融合共同發展，感謝我的團隊包括中科院深圳先進院、清華大學深圳國際研究生院、深圳理工大學的同事和同學，最后也感謝資助機構，謝謝大家，盡情批評指正。
(以上為嘉賓演講內容速記，未經嘉賓核對）
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