新能源的“新寵兒”!號稱“水系”電池,如何克服鋰電池致命缺陷?
發(fā)布時間:2024-03-25
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能源是人類社會發(fā)展的動力。近年來,隨著全球“碳達峰、碳中和”發(fā)展目標的確定,基于可再生能源利用的大規(guī)模儲能和新能源汽車的普及推廣也成為發(fā)展的必然趨勢,人們對于安全、環(huán)保、高能量密度、低成本電池的需求愈加迫切,這也對科學家們探索新一代電池提出了更高的要求。在這一背景下,水系鋅離子電池因為高安全、低成本和環(huán)境友好等特性被認為是極具潛力的可持續(xù)儲能技術(shù)之一。鄭州大學物理學院教授李新亮的研究方向就與這一領(lǐng)域密切相關(guān)。

▲李新亮

多年如一日,李新亮腳踏實地投身在科研工作中,在水系電池/鹵素電池儲能體系,以及電磁波吸收/屏蔽器件研發(fā)中取得了一系列創(chuàng)新性科研成果?!坝行业氖?,我的個人研究興趣與國家戰(zhàn)略發(fā)展需求相契合,為此攻堅克難,求是擔當?!彼f。

腳踏實地,一步步走上科研道路

凡事都要腳踏實地去做,為之則易,不為則難。李新亮的科研之路更像是大多數(shù)普通學子的寫照。2011年他考入鄭州輕工業(yè)大學物理與電子工程專業(yè),儲能方向的研究在當時并不算熱門。大學階段,他懷揣夢想的同時,感受到更多的是迷茫。

隨著對于儲能研究的深入學習,李新亮逐漸發(fā)現(xiàn)這一領(lǐng)域的科研成果是切切實實能夠落地進行應(yīng)用轉(zhuǎn)化的。為了能夠更深入學習相關(guān)領(lǐng)域的科研知識,本科畢業(yè)后他又相繼在西北工業(yè)大學、香港城市大學攻讀碩士和博士學位。也正是在之后的階段,他遇到了對自己科研生涯有著重要影響的殷小瑋教授、支春義教授。

李新亮直言,自己本科畢業(yè)后經(jīng)歷了一段迷茫的時期,正是在碩士生導師殷小瑋教授的指導下,將研究方向定在了抗輻射材料,一步步走上了科研的道路。在香港城市大學期間,李新亮在博士生導師支春義教授的指導下,將抗輻射材料研究與儲能課題相結(jié)合,開展安全儲能和柔性可穿戴電子相關(guān)的研究,以服務(wù)于國家在民用和重要領(lǐng)域的潛在需求。除此之外,攻讀碩博學位期間,兩位導師給李新亮提供了十分自由的科研環(huán)境,讓他能夠發(fā)揮自己的主觀能動性,在興趣的驅(qū)使下不斷探索前行?!耙婚_始,我對于科研的規(guī)劃與未來的目標是模糊的,正是在他們的一步步引領(lǐng)下,我成長了許多,沒有他們的幫助,我想我沒什么機會走上這條科研之路。”李新亮說。

為了讓自己所做的科研工作盡快落地,博士畢業(yè)后,李新亮加入香港城市大學-香港大鋅能源有限公司從事安全儲能科學研究。李新亮深知:從實驗室到企業(yè)應(yīng)用還有很長的路要走,特別是實驗室的研究成果到大批量產(chǎn)品生產(chǎn)這一過程中,會遇到諸多“放大型”問題與困境。而在香港大鋅能源有限公司工作的這段時間,李新亮嘗試將科研工作從問題導向到研究導向、應(yīng)用導向進行了轉(zhuǎn)變,這為他今后的科研選題提供了更為全面的視角。

立足現(xiàn)狀,創(chuàng)新水系電池研究

2020年9月,中國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標。

在新能源成為趨勢的今天,電池已廣泛應(yīng)用于新能源汽車、消費類電子設(shè)備及各式儲能電源系統(tǒng)中。在這一社會背景下,李新亮肩負科研人員的責任,迫切想要在相關(guān)領(lǐng)域中做些什么。

眾所周知,新能源汽車中廣泛應(yīng)用的鋰離子電池,具有能量密度高、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)點。然而,鋰電池要求極高的密封性,尤其是在服役期間要隔絕水氧環(huán)境,一旦電池遭遇諸如碰撞、擠壓等破壞電池封裝的突發(fā)情形時,電芯極有可能觸發(fā)一連串鏈式放熱反應(yīng),甚至起火爆炸……在這一背景下,李新亮認為開發(fā)更具安全性、更綠色、更穩(wěn)定的水系電池來滿足極其注重電池安全特性的安全儲能領(lǐng)域的需求刻不容緩,尤其是與人體直接接觸的可穿戴電子甚至內(nèi)植入型醫(yī)療設(shè)備。

李新亮介紹說,水系電池作為一種新興的電池技術(shù),具有內(nèi)在的安全性和快速充放電能力,能夠延長電池的使用壽命和讓電池具備應(yīng)對多種嚴苛儲能/供能情景的能力,在可再生能源儲存系統(tǒng)、電動車輛和便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景?!八晕覀儸F(xiàn)在研究的主要方向就是通過研發(fā)水系電池,以填補當前鋰離子電池不適用的安全儲能市場的供應(yīng)鏈空白,同時在未來的研究中,我們也考慮將復雜電磁/紅外背景下的輻射問題納入服役安全性的動態(tài)評估范圍之內(nèi)?!彼f。

在這一過程中,李新亮和研究團隊首先對水系電池進行了整體設(shè)計,以確保電池各部分組件的高度適配。其次,他們引入了溫度和電壓監(jiān)控系統(tǒng),以及過電流和過壓保護裝置,實時監(jiān)測電池運行狀態(tài),追蹤異常情況的發(fā)生。此外,他們還通過電極和電解質(zhì)的改性,在提升電化學性能的同時減少水系電池服役過程中可能的副反應(yīng),從而提高水系電池的安全性和穩(wěn)定性。

水系電池中的電解質(zhì)載體——水是一種低成本、可再生且環(huán)境友好的溶劑,相較于傳統(tǒng)有機電池中的有機溶劑,水具有內(nèi)在的安全性,并且成本更低,對環(huán)境的影響小。此外,水系電池還具有可再生性,水和金屬鹽是可再生資源,通過再生或回收利用可以降低資源消耗,并減少對稀有金屬的需求。然而,以水作為電解質(zhì),有一個弊端,那就是水的穩(wěn)定電壓窗口較窄,而且可能與電極發(fā)生副反應(yīng),尤其是金屬負極端,導致電池服役壽命的降低。在相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,李新亮也致力于開發(fā)新型高能量密度鹵素電池。

由于鹵素具有氧化還原電位高、成本低、資源豐富等優(yōu)點,在電極材料中表現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。在這一背景下,李新亮團隊提出了一種高效的電解液調(diào)制策略來實現(xiàn)鹵素在轉(zhuǎn)化型儲能體系中的可逆多價態(tài)轉(zhuǎn)變,并選取更為安全的鹵化鹽作為活性鹵素源替代傳統(tǒng)鹵素單質(zhì)作為概念驗證,構(gòu)建了前所未有的基于多電子轉(zhuǎn)化化學的高性能鹵素轉(zhuǎn)化電池。值得一提的是,他們通過一系列科研探索,成功將鹵素電池的能量密度提升到原始數(shù)值的200%以上,顯著提升了鹵素電池儲能能力。此外,李新亮團隊開發(fā)的新型氧化還原機制表現(xiàn)出卓越的低溫適應(yīng)性,極大地拓寬了鹵素電池的應(yīng)用場景。

放平心態(tài),推進科研攻關(guān)

科學研究,久久為功。李新亮深知,水系電池性能的提升不是一蹴而就的,有時候一項性能的測試可能要一年或者幾年才會看到成效,其中必定會遇到一系列問題?!坝龅絾栴}時,首先我們一定要廣泛地閱讀文獻,吸取他人的經(jīng)驗和教訓,其次一定要和自己的導師、同事相互探討,進行頭腦風暴,總是會有收獲的。”李新亮說。

2023年,對于李新亮來說是人生新的轉(zhuǎn)折點,這一年三十而立的他回到了自己的故鄉(xiāng)河南,來到了鄭州大學物理學院開展科研工作。“總是要有人回來填補‘科技洼地’的,我不過是其中的一分子?!彼f。作為引進科研人才,無論是河南省還是鄭州大學及鄭州大學物理學院,在生活和科研環(huán)境方面都給了李新亮很大的支撐,幫助他消除后顧之憂。如今,半年多的時間,他在馬不停蹄組建自己科研團隊的同時,也根據(jù)自己的研究基礎(chǔ),確定了未來的工作方向?!笆紫龋覀円蕴嵘姵氐男阅芎头€(wěn)定性為目標,針對領(lǐng)域內(nèi)前沿方向和開放科學問題制訂一些探索方案,通過大量的科研實踐,去判斷相關(guān)方案是否具有可行性。在此期間,如果能夠切實解決一些技術(shù)難題,提出一些基礎(chǔ)創(chuàng)新理論模型,推進領(lǐng)域向前走一小步,就再好不過了?!彼f。

路漫漫其修遠兮,在水系電池技術(shù)開發(fā)探索中,失敗和挫折是再平常不過的事,但李新亮始終堅信付出總會有收獲。在不久的將來,他希望能夠打造一個獨具特色的以復雜安全儲能為基礎(chǔ)的科研團隊,將研究方向瞄準國家的重大科技需求,努力作出自己的貢獻。“隨著技術(shù)進步和經(jīng)濟可行性的提高,我們可以期待在未來幾年內(nèi)看到水系電池技術(shù)逐漸進入市場,為國家、為社會、為普通消費者提供更可靠、環(huán)保的安全能源解決方案。”李新亮滿懷信心地說。

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