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隨著電力交通市場的迅猛發(fā)展以及各種電子設(shè)備的層出不窮，對安全電池的需求愈發(fā)迫切。尋找下一代電池，成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的焦點。

日前，韓國科學(xué)技術(shù)研究院(KIST)儲能研究中心宣布開發(fā)出下一代二次電池，這種電池使用金屬鋅作為負(fù)極和水系電解液，沒有任何爆炸或起火危險。

鋅是一種儲量豐富、安全且可回收的金屬。以金屬鋅作為電極、使用中性或微酸性水系電解液體系的鋅電池，具有高安全性、低成本等優(yōu)勢，被認(rèn)為是下一代具有產(chǎn)業(yè)化前景的儲能技術(shù)之一。

推陳出“鋅”

在日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源危機背景下，探索清潔、可再生的儲能技術(shù)，對人類社會可持續(xù)發(fā)展十分重要。

過去的數(shù)十年里，鋰離子電池因其具有較高的能量密度、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和較低的自放電等特點，成為電池技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的“寵兒”。然而，隨著鋰離子電池的應(yīng)用普及，儲量有限的鋰資源、嚴(yán)重的安全隱患及成本高等問題，限制了鋰離子電池在儲能領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

近年來，鋅電池受到越來越廣泛的關(guān)注。復(fù)旦大學(xué)教授王永剛告訴《中國科學(xué)報》，鋅電池采用具有高容量、環(huán)境友好、成本低廉等優(yōu)勢的鋅金屬作為負(fù)極。“類比鋰離子電池與鋰電池的分類名稱，該類電池名稱應(yīng)為鋅電池。”

“相較于鋰離子電池通過一價鋰離子的輸運實現(xiàn)能量存儲，鋅電池是通過二價鋅離子進行能量存儲，實現(xiàn)了兩電子轉(zhuǎn)移，具有更高的存儲容量和安全性。”中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院特聘教授周江告訴《中國科學(xué)報》。

與鋰離子電池相比，鋅電池最被人看好的特點便是安全。

新加坡南洋理工大學(xué)教授范紅金介紹，與基于易燃、有毒的有機電解液的電池相比，目前鋅電池均為水系，即電解液是水，安全性更高。同時，成本更低、對環(huán)境更友好。

周江說，鋅電池優(yōu)勢比較明顯，比如電解液采用高純水加入合適的鋅鹽等添加劑調(diào)配，正負(fù)極材料不含鋰、鈷等稀缺金屬。另外，該電池更易組裝，且組裝完全可以在空氣中進行，不需要嚴(yán)格、苛刻的惰性氣體保護等條件。

過去，鋅電池是一次性電池，即不可充電電池，比如傳統(tǒng)堿性Zn-MnO2電池等。“下一代鋅電池的目標(biāo)是，將其發(fā)展為二次電池，即能夠充放循環(huán)的電池。”王永剛說。

革故鼎“鋅”

鋅電池優(yōu)勢突出，但在正負(fù)極材料、電解液等方面仍存在著諸多亟待攻克的技術(shù)瓶頸和難題。

正負(fù)電極材料的溶解和腐蝕問題就是難點之一。在周江看來，保證負(fù)極材料具有長期穩(wěn)定性，包括擱置穩(wěn)定和電化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定，是鋅電池發(fā)展的主要瓶頸。他認(rèn)為，“技術(shù)難點在核心材料的發(fā)展，要重點突破材料的創(chuàng)新。”

王永剛也認(rèn)為，鋅電池最主要的技術(shù)瓶頸在于正負(fù)極材料，比如，負(fù)極金屬鋅遇水發(fā)生反應(yīng)，會被腐蝕;此外，金屬鋅的利用率低，尚不足0.6%;在正極材料中，由于二價鋅離子電荷密度大，充放電過程中易發(fā)生粉化、結(jié)構(gòu)坍塌的問題。

“目前大家關(guān)注的重點在于優(yōu)化改進正負(fù)極的電極材料和電解液，它影響著整個電池的穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。”王永剛說。

關(guān)于電解液的問題，范紅金告訴《中國科學(xué)報》，水系電解液的電壓窗口太窄，使得水系鋅電池的穩(wěn)定電壓比有機電解液低，一般在2伏以下，這嚴(yán)重限制了該電池體系的能量密度，而鋰離子電池則在3~4伏之間，能量密度較高。

“為了避免水在高電壓下的分解產(chǎn)氣問題，大家正在尋求各種途徑，比如電解液添加劑、優(yōu)化電解質(zhì)、提高正負(fù)極材料對水分解反應(yīng)的勢壘、新的反應(yīng)機理等等。這方面阿德萊德大學(xué)開發(fā)的鋅—錳電解槽電池提供了一個全新的思路，最近兩年在電壓上取得了長足的進步。”范紅金說。

此外，范紅金還提到鋅金屬負(fù)極存在的鋅枝晶問題。事實上，枝晶是電池諸多問題的“禍根”，鋅枝晶會降低電池循環(huán)性能，縮短使用壽命、穿透隔膜，也是電池短路、爆炸等安全問題的重要因素之一。

當(dāng)下，由于需求驅(qū)動，國內(nèi)外均在鋅電池研究和應(yīng)用方面有所布局，研究深度和廣度不斷延伸。在專家們看來，隨著我國國家政策的支持、越來越多研究力量的投入，中國鋅電池發(fā)展勢頭愈發(fā)迅猛，將在國際舞臺上占有一席之地。

“當(dāng)前我國鋅電池的發(fā)展與世界在同一起跑線上。”周江表示，從剛開始主要集中在正極材料開發(fā)和探索、機理分析、容量衰減機制研究，到目前集中在電解質(zhì)(液)以及鋅負(fù)極材料的開發(fā)和優(yōu)化研究，隨之而來的是各種鋅基柔性、可穿戴式等器件的相關(guān)報道。

“下一步，亟須開發(fā)高可逆金屬鋅負(fù)極，研發(fā)高穩(wěn)定性和高離子導(dǎo)通性的電解質(zhì)材料。而在鋅電池基礎(chǔ)上構(gòu)建全新的體系尤為重要，比如鋅基液硫電池、無金屬鋅負(fù)極的鋅離子電池、鋅空氣電池等。”周江說。

“鋅”新向榮

鋅電池未來的市場在哪里?下一代鋅電池又將如何發(fā)展?

范紅金表示，鋅電池的市場主要有兩類，一是諸如電動汽車電池等消費類電池，二是收集風(fēng)能、太陽能等的大規(guī)模靜態(tài)儲能電池系統(tǒng)。而在電壓窗口尚未突破的情況下，后者是短期內(nèi)更具前景的應(yīng)用場景。

“未來，還應(yīng)在提高工作電壓窗口、材料穩(wěn)定性，以及深入了解儲能和反應(yīng)機理等問題上繼續(xù)發(fā)力。”范紅金說。

王永剛認(rèn)為，未來，鋅電池的發(fā)展路線有3種。一是從含水的電解液向添加有機溶劑的電解液過渡，以此避免鋅腐蝕問題;二是電解液從固定向循環(huán)流動過渡，比如走液流電池路線等;三是電極材料采用有機加無機的復(fù)合材料，充分利用有機物的穩(wěn)定性和無機物導(dǎo)電性強的優(yōu)點。

水是流動的，也是柔軟的，基于此，科學(xué)家們還看到了水系鋅電池在柔性電子器件的光明前景。隨著柔性顯示設(shè)備、健康監(jiān)護儀、電子傳感器和電子皮膚等可穿戴式/可植入電子器件等的不斷開發(fā)，水系鋅電池作為高安全性、可彎曲、電化學(xué)性能優(yōu)異的儲能體系將成為未來研究的重要方向之一。

前不久，鋅電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用邁向了新臺階。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李先鋒和張華民領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊自主開發(fā)的10千瓦級堿性鋅鐵液流電池儲能示范系統(tǒng)投入運行。經(jīng)現(xiàn)場測試，該示范系統(tǒng)在額定10千瓦功率下運行時的能量效率為78.7%。該堿性鋅鐵液流電池示范系統(tǒng)的成功運行，為今后工程化和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

“從當(dāng)前趨勢來看，鋅電池產(chǎn)業(yè)前景比較好，但亟須解決金屬鋅負(fù)極應(yīng)用問題，提高穩(wěn)定性和可逆性，確保金屬鋅電極的反應(yīng)效率高達99%，抑制析氫和腐蝕。同時，協(xié)同電解液(質(zhì))的革新和優(yōu)化，推動該電池體系的實際應(yīng)用。”周江說，現(xiàn)在越來越多的課題組投入到鋅電池的研究事業(yè)中，他希望企業(yè)也能夠積極加入，早日布局和儲備新型規(guī)模儲能技術(shù)。

“當(dāng)然，發(fā)展并不是孤立的，在鋅電池研究過程中也會觸及到其他水系離子電池的發(fā)展，希望在我們的共同努力下，把綠色、環(huán)保、健康的電池體系帶給社會。” 周江補充道。