天津大学材料科学与工程学院钟澄教授在第四届全球科技创新大会暨首届“5G+”智能零售高峰论坛上的讲话

尊敬的各位领导、专家、嘉宾，

 

  非常荣幸有机会向大家汇报介绍我们最近五年来所开展的一个研究性工作。我们开展的工作是“高安全性电化学储能材料和器件规模化应用”，研究的目的是想建立起来学术研究和产业研究之间的桥梁，希望能够把实验室里做的一些电池技术最终带到产业界、让产业界用上。我的学术研究基本上是围绕产业界电池应用中所产生的一些瓶颈问题所开展的。

 

    一、研究背景。

    电化学储能技术应用是关于清洁能源高效利用，例如：太阳能、风能这些可再生能源，具有间歇性和不稳定性，受时间/空间的影响。怎么把这些“不稳定能源”转化为稳定的电力输出？这就是电化学储能技术可以做的，说白了：把不稳定的东西先存储在电池中，随后由电池转化为稳定的电流电压释放。电化学储能技术规模化应用，对于大幅度提升清洁能源的利用率、改善全球能源结构和环境问题都具有十分重要的意义。由于电化学储能对于能量总量的要求，用于这些规模储能是大量的电要集中放置在同一个场地，所以在有限的空间放置了大量的电池电线。相比电动车和手机而言，整体系统的出错率或者说失误概率会更高。那么，就更加希望构成储能系统的每一节电池都是具有非常高安全性的。目前全球也报道多起储能电池起火案件的事故，这也阻碍了电化学储能技术大规模推广运用。

    目前市面上针对大规模的储能技术比较多的是两类电池：（1）锂离子电池。（2）铅酸电池。这两款电池的优势和劣势非常清楚，锂离子电池是采用了易燃的有机电解质作为电解质，这个电解质是易燃易爆的东西。所以一旦发生短路、穿刺，是会引起起火，所以安全性是远远不如铅酸电池。铅酸电池早年是在电瓶车比较多，铅酸电池是用水做电解质、水是不可燃的材料，但是铅酸电池在有其它方面的就具有十分明显的劣势。例如：循环性、能量密度和工业密度上，就远远不如锂电池、而且铅酸电池不环保。学术界和工业界、产业界，都特别希望发展出来新型的电池可以在保有铅酸高安全性的优势基础上，还兼具其它优势。这样的话，可以更好的适用于规模储能领域的应用。

    针对以上背景另一种形式的电池“水系锌基电池”。锌基电池的安全性可以媲美铅酸电池，锌基电池在其它方面有优势，例如：能量密度、功率密度方面可以显著的优于铅酸电池。但是现在这一款电池，目前还是停留在学术界研究中、市面上基本上是没有见到。可以充放、二次锌电池目前还存在很大的瓶颈，在商业化应用里面。其中最为突出的是这样两个问题：锌基电池做成全电池之后，整个电池的循环次数比较低。用于规模储能，可能会用三年或者五年、每天可能都会有充放电，这是它的一个比较大的劣势。虽然目前学术界报道已经有一些次数非常高的，有一千次或者几千次、但是这是在比较浅的放电获得的，例如：手机电池，没有用一天、只是用一小时或者几分钟。但是实际应用的差别还是比较大。另一方面，它讲的性能经常是电池活性物质、相对于活性物质规划到底怎么样。但是用户真正关心的是什么？用户关心的是完整一块电池，这样的体积、这样的重量到底能够放出多少电。所以这也就造成了学术界和产业界的脱节。

    二、主要学术贡献和创新点。

    1.构建器件级测试平台。

    刚性的模具到柔性可编制的，而且我们也为整个做设计图纸是完全开放的、没有任何版权的，是可以直接下载供工作者免费下载研究。

    2.揭示限制锌基电池性能的关键因素。

    基于器件级的测试平台与实验理论结合的研究手段，阐明限制锌基电池商业化应用的主要问题在于：锌支晶、自腐蚀、以及锌空气电池半开放结构引起的电解质性能退化。它的特点是能量密度非常大，劣势由于是“半开放结构”所以空气里面的二氧化碳会和电解质发生反应导致失效。

    3.提升锌基电池各部件性能。

    由于时间的关系，这里就不再详细说了。相关的成果发布了nature等杂志上。美国化学与工程新闻，认为我们报道了一种不寻常的电池设计、使得低成本无毒的电池容量翻倍。在实验室研究的基础上，我们希望把这个成果往产业界再推进。目前已经初步形成了一些专利，这个专利覆盖了上游的原料、中游的电池材料、电池器件的组装和封装和整个产业链。基于这样的技术产线，去年也已经投产、并且通过环评批复了，是2017年建的、2019年通过环评批复，相关的产品目前正在上市销售。目前这样一个锌基电池的系统是在两个关键指标上达到了预期目标：高安全性和高能量密度。能量密度是铅酸2倍，功率密度是铅酸的10倍以上。它是不含有任何重金属的，因此更环保。目前基于“水系锌基电池”储能系统，正在国家电网等单位试用，也有出口到阿联酋给一个污水处理工程进行供电。

    为了解决产业界的问题，学术界、工业界开发了各种各样的电化学储能技术。我们国家一些招投标采购部门，例如：国家电网，在采购新行电池就面临一个问题。怎样采购点，电池报价是否合理？我们也给国家电网专门做了一个项目，指导对电化学储能系统招投标的半定量和定量评价方法。为了推进相关领域的进展，我们也编著了三本中英文著作。

 

    以上就是我的汇报内容。衷心感谢各位嘉宾的指导！