近年來，隨著全球能源需求的持續(xù)攀升，能源結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，為滿足當下各種不同應用場景的需求，科研機構(gòu)越發(fā)關(guān)注新型電池的研發(fā)與探究，新型電池技術(shù)百花齊放。今天我們來盤點幾款近期在科研上取得新進展的新型電池。
1.鈣-氧電池
近日，復旦大學科研人員創(chuàng)建出一種新型鈣-氧氣電池，可在室溫條件下充放電，穩(wěn)定運行700次循環(huán)，展現(xiàn)出高安全性、較低成本等優(yōu)勢，并為可穿戴電池織物的發(fā)展提供了新思路。2月7日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然》。
鈣金屬具有低氧化還原電位和多價性等特性，結(jié)合我國豐富的鈣資源，基于金屬鈣的電池體系在未來的能源應用中具有廣闊前景。
然而，鈣金屬負極具有高電化學活性，容易導致電解液被還原分解并在電極表面形成鈍化層，使得鈣金屬負極失效；空氣正極具有高電極電勢，容易導致電解液氧化分解，正極電化學性能迅速衰退。目前仍難以找到一種能與鈣金屬負極相匹配，且能適應高電極電勢空氣正極的電解質(zhì)，嚴重制約了鈣-氧氣電池的發(fā)展。
鈣-氧氣電池結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源：復旦大學）
為了解決這一挑戰(zhàn)，團隊通過系統(tǒng)設(shè)計溶劑、電解質(zhì)鹽以及電解質(zhì)配比，成功制備出一種基于二甲基亞砜/離子液體的新型電解質(zhì)，有效滿足了電池正負極的高要求，構(gòu)建了可室溫工作的新型鈣-氧氣電池。
該研究發(fā)展出的鈣-氧氣電池主要由三個部分構(gòu)成：金屬鈣負極、碳納米管空氣正極和有機電解質(zhì)。
該電池設(shè)計不僅優(yōu)化了性能和成本，也兼顧了環(huán)境的可持續(xù)性與在柔性電子設(shè)備中的應用要求。其中，金屬鈣負極不僅成本較低，還具有較高的理論容量，有利于全電池實現(xiàn)較高的能量密度。同時，可進一步將金屬鈣負載到柔性基底上，得到柔性的金屬鈣負極，為實現(xiàn)柔性鈣-氧氣電池奠定基礎(chǔ)；電解質(zhì)采用基于二甲基亞砜/離子液體體系，這種電解質(zhì)在室溫下不僅表現(xiàn)出了高離子導率，還展示了穩(wěn)定的電化學特性，顯著提升了電池的整體安全性；正極材料則采用了較為環(huán)保的碳材料，不含昂貴的貴金屬催化劑，并利用空氣中的氧氣作為反應物，有助于降低電池的制造成本。
2.水性鋅離子電池
水系鋅離子電池具有安全性好、成本低等優(yōu)點，在儲能領(lǐng)域具有重要的應用潛力。然而，電解液中的水在鋅離子電池中就像一把雙刃劍，得益于采用水溶劑，鋅離子電池不僅安全，還具有高離子電導率，保證電池具有出色的快速充放電能力。此外，電解液中水的存在有助于提供質(zhì)子以插入正極材料，從而提高容量。但是，過量的水會導致負極的腐蝕、鋅枝晶形成以及正極材料的溶解問題，從而影響了鋅離子電池的長期循環(huán)性能。因此，為了同時實現(xiàn)鋅離子電池的高容量和長壽命，必須精確控制水含量。
圖片來源：中國科學院大連化物所
據(jù)《中國科學報》1月25日消息，近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員楊維慎、朱凱月團隊在鋅離子電池電解液研究方面取得新進展。團隊揭示了電解液中水含量對正負極界面動力學和可逆性的影響，發(fā)現(xiàn)通過適當調(diào)控電解液中的水含量，就可以打破鋅離子電池中高容量和長壽命難以兼得的限制，使二者同時實現(xiàn)。相關(guān)成果發(fā)表于《化學科學》。
在研究工作中，科研團隊選擇乙腈作為有機溶劑代表，探究了電解液中不同水含量對正負極反應動力學和穩(wěn)定性的影響，并找出對全電池容量和壽命的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，電解液中即使只有少量水，也能實現(xiàn)鋅離子電池的最高容量，并表現(xiàn)出優(yōu)異的長期循環(huán)穩(wěn)定性。在6A/g電流下，經(jīng)過9,000次循環(huán)后容量保留率高達80%。
另外，團隊系統(tǒng)深入研究了含水量對釩基正極和鋅負極界面微觀反應機制的影響，不僅加深了對鋅離子電池機理的理解，也為通過電解液設(shè)計實現(xiàn)鋅離子電池優(yōu)異性能提供了新思路。
3.晶硅電池
2023年，中國“新三樣”出口首破萬億。海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國光伏組件產(chǎn)量已連續(xù)16年位居全球首位，多晶硅、硅片、電池片、組件等產(chǎn)量產(chǎn)能的全球占比均達80%以上。全球光伏發(fā)電裝機容量近一半在中國。
圖片來源：江蘇科技大學
1月31日，據(jù)江蘇科技大學科學技術(shù)研究院報道，江蘇科技大學、隆基綠能科技股份有限公司、澳大利亞科廷大學等合作的研究成果“Flexible Silicon Solar Cells with High Power-to-Weight Ratios”（高柔韌性、高功率重量比的晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池）在國際頂級期刊《Nature》上發(fā)表。
晶硅太陽能電池是目前光伏產(chǎn)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)的晶硅電池面臨兩大瓶頸問題：一是，產(chǎn)業(yè)化的大面積晶硅電池其功率轉(zhuǎn)換效率始終難以突破26%的關(guān)口。不同的技術(shù)路線，包括鈍化發(fā)射極背接觸（PERC）、隧穿氧化物鈍化接觸（TOPCon）、硅異質(zhì)結(jié)（SHJ），商用轉(zhuǎn)換效率在24%~25%范圍內(nèi)。
另一方面，目前較為先進的晶硅電池厚度一般在150~180μm范圍內(nèi)，重量大、易破碎、無柔韌性。對安裝弧度要求高和重量要求嚴苛的使用環(huán)境，如海面漂浮式光伏（海）、曲面屋頂（陸）、衛(wèi)星空間站（空）等，晶硅太陽能電池無法勝任。因此，研發(fā)具有高轉(zhuǎn)換效率、大面積、重量輕、柔韌性好、低成本的晶硅太陽能電池一直是研究人員的夢想。
在本項工作中，團隊創(chuàng)新性的通過將晶圓減薄至55~130μm厚度，并開發(fā)與之相適應的無外延復合梯度鈍化（低損傷連續(xù)等離子CVD）、自修復納米晶播種與摻雜接觸垂直生長、透明導電層的低損傷反應等離子沉積、無接觸激光轉(zhuǎn)印柵線等技術(shù)革新，使57~125μm厚的SHJ電池的轉(zhuǎn)換效率達到了破紀錄的26.81%（德國哈梅林太陽能研究所認證），其中57μm厚電池的功率重量比達到了驚人的1.9W/g，曲率半徑19mm。
本成果在國際上首次實現(xiàn)了具有高柔韌性、高功率重量比的晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池，從根本上革新了人們對晶硅太陽能電池厚重、易碎的傳統(tǒng)印象，大大拓展了晶硅電池的應用范圍。
4.全釩液流電池
據(jù)中國科學院1月3日消息，近日，中國科學院大連化學物理研究所儲能技術(shù)研究部研究員李先鋒團隊，開發(fā)出70kW級高功率密度全釩液流電池單體電堆。該單體電堆體積功率密度由目前的70kW/m3提高至130kW/m3，在體積保持不變的條件下，功率由30kW提高至70kW，成本較目前的30kW級電堆降低40%，有望助推全釩液流電池的商業(yè)化進程。
全釩液流電池因其安全性高、壽命長、效率高、環(huán)境友好等特點，是大規(guī)模儲能的首選技術(shù)之一。目前由于全釩液流電池初始投入較高，限制了其進一步普及應用。電堆是全釩液流電池系統(tǒng)主要核心部件，其功率密度決定了電堆成本。功率密度越高，相同輸出功率條件下，電堆體積越小，成本越低。
大連化物所開發(fā)出70kW級高功率密度全釩液流電池單體電堆（圖片來源：中國科學院）
在本工作中，李先鋒團隊采用自主開發(fā)的新一代高選擇性可焊接多孔復合膜和可焊接高導電雙極板，利用其可焊接特性，開發(fā)出短流程、超薄電池結(jié)構(gòu)，并結(jié)合低流阻、高均勻分配流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計，研制出70kW級電堆。經(jīng)測試，該電堆在70kW額定功率充放電條件下的能量效率為81.0%；在60kW恒功率充放電條件下能量效率為82.1%。此外，該電堆連續(xù)穩(wěn)定運行1200多個循環(huán)后，能量效率衰減率僅為1.7%。使用該電堆，可將一個20尺的250kW儲能單元模塊升級為500kW儲能單元模塊，不僅功率單元體積大幅減小，而且降低了系統(tǒng)配套設(shè)施的成本。該電堆的開發(fā)，提升了儲能系統(tǒng)功率單元的集成度，有望提升儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性。
5.鈉離子電池
1月24日，大連化學物理研究所官網(wǎng)消息，近日，大連化學物理研究所儲能技術(shù)研究部（DNL17）李先鋒研究員、鄭瓊研究員團隊和中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所藺洪振研究員合作，在鈉離子電池電解液研究方面取得新進展。
鈉離子電池具有資源豐富、成本低廉、性價比高等優(yōu)勢，在中低速電動車和大規(guī)模儲能等領(lǐng)域應用前景廣闊。醚類電解液因其低熔點和高電導性等優(yōu)勢成為鈉離子電池相適配的優(yōu)選電解液體系之一。但是，醚類電解液較高的最高占據(jù)分子軌道能級（HOMO）使其固有抗氧化性不足，當電池電壓超過4.0V（vs.Na/Na+）時，會發(fā)生劇烈氧化分解，難以形成穩(wěn)定可靠的電極/電解液界面（CEI），造成嚴重的不可逆容量損失和較差的電化學穩(wěn)定性，因此無法有效應用于電壓較高的正極材料體系。同時，醚類電解液的低閃點和易燃性增加了其高溫下的熱失控風險，也限制了其在鈉離子電池中的普適性應用。
圖片來源：大連化學物理研究所
針對上述問題，研究團隊利用全氟陰離子與正極和溶劑之間的相互作用，設(shè)計并開發(fā)了系列含全氟陰離子添加劑的醚類電解液體系。研究發(fā)現(xiàn)，添加劑和正極間的強親和作用，可發(fā)生優(yōu)先吸附，減少了自由溶劑分子與電極間的接觸；同時，高HOMO能級可作為自犧牲劑優(yōu)先于溶劑氧化，形成富含C-F/NaF的CEI界面，改善了醚類電解液的抗氧化性和界面鈉擴散動力學，實現(xiàn)了醚類電解液耐受電壓由3.6V提高至4.5V（vs.Na/Na+），循環(huán)1,900次后容量保持率高達91%。此外，團隊還發(fā)現(xiàn)，全氟陰離子添加劑和醚類溶劑之間形成的-C-F··H-C-贗氫鍵，可以顯著改善電解液的熱穩(wěn)定性，在60°C下穩(wěn)定循環(huán)100次后容量基本無衰減。該新型醚類電解液體系開發(fā)不僅為鈉離子電池界面化學調(diào)控提供了創(chuàng)新的設(shè)計思路，而且對拓寬醚類電解液體系在鈉離子電池中的實際應用提供了新思路。
總結(jié)：
伴隨科研人員的不斷探索，我國在新型電池的研發(fā)上不斷突破，盡管在當前技術(shù)條件下，新型電池的投產(chǎn)應用還需時間，仍需要我們整個行業(yè)的共同努力。相信在技術(shù)創(chuàng)新、市場需求與政策導向的加持下，作為未來能源儲存與應用的重要載體之一，新型電池終將對推動全球能源結(jié)構(gòu)向可再生能源轉(zhuǎn)變發(fā)揮重要作用。
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