你見(jiàn)過(guò)用水做電解液的電池嗎?

當(dāng)今社會(huì)，電池被廣泛應(yīng)用于新能源汽車、消費(fèi)電子設(shè)備以及各類儲(chǔ)能系統(tǒng)中。然而，傳統(tǒng)電池在使用過(guò)程中存在的安全隱患問(wèn)題日益凸顯，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，新型水系電池技術(shù)作為一種新興的儲(chǔ)能解決方案，以其獨(dú)特的環(huán)保性和安全性受到熱捧。何為新型水系電池?它與傳統(tǒng)電池有何不同?應(yīng)用前景又如何?新華日?qǐng)?bào)·交匯點(diǎn)記者日前采訪到相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)。

水溶液如何做電解液?

“水系電池從廣義上來(lái)說(shuō)包括鉛酸電池、鎳系電池等強(qiáng)酸強(qiáng)堿的水電解液電池。近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提升，以水為電解液溶劑的蓄能電池成為研究熱點(diǎn)，這也就是我們所說(shuō)的新型水系電池。”江蘇師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院副院長(zhǎng)賴超告訴記者，盡管不同電池封裝形式有所不同但基本組成一致，主要包括正極材料、負(fù)極材料、電解液以及隔膜四個(gè)部分。近年來(lái)，鋰電池頻頻引發(fā)安全事故，很大程度上是因?yàn)槠潆娊庖罕旧砭哂锌扇夹?，且鋰元素自身也比較活潑，容易發(fā)生自燃。

在常州市高安全動(dòng)力與儲(chǔ)能電池重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇理工學(xué)院教授、常州市電池技術(shù)協(xié)會(huì)理事毛武濤向記者展示了其團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的水系鈉離子電池，單從外觀看，很像傳統(tǒng)電動(dòng)自行車所使用的鉛酸電池。“鉛酸電池中的硫酸溶液和鉛元素，都具有污染性，而水系鈉離子電池的電解液中只有水和無(wú)機(jī)鹽。在電池的充放電過(guò)程中，水中的離子會(huì)在電極之間移動(dòng)，參與電化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。”

圖為毛武濤團(tuán)隊(duì)研發(fā)的水系鈉離子電池

原理上很好理解，不過(guò)是將原本的電池材料做了一些替換。然而想找到效率最高的搭配組合，團(tuán)隊(duì)卻花費(fèi)了近5年時(shí)間。其中最大的困難在于，水做電解液時(shí)易被分解為氫氣和氧氣，影響正負(fù)極工作，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部膨脹。“我們?cè)陔娊庖褐屑尤肽軌蜓泳徦纸獾木彌_劑，通過(guò)改變水本身的微觀結(jié)構(gòu)，使之更穩(wěn)定。此外，還借助類似荷葉的疏水效應(yīng)讓水和電極相互吸附的作用力更弱一些，減少水侵蝕到電極。”

和毛武濤團(tuán)隊(duì)一樣，賴超團(tuán)隊(duì)也通過(guò)加入電解液添加劑的策略有效解決了水系電池析氫的問(wèn)題。“目前，我們正聚焦新型水系鋅離子電池的研發(fā)，和鋰離子電池相比，這種電池具有高安全和低成本的特性;而相比傳統(tǒng)鉛酸電池，水系鋅離子電池具有能量密度高和安全環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。”

同樣以水溶液作為電解液，所有新型水系電池都面臨著析氫難題。賴超團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，嘗試把水系電池的電解液做成類似果凍一樣的凝膠態(tài)。“行業(yè)內(nèi)我們稱之為準(zhǔn)固態(tài)凝膠電解質(zhì)，這種電解質(zhì)不僅可以鎖定電解液，且和液態(tài)電解液一樣可以實(shí)現(xiàn)離子傳導(dǎo)。這樣一來(lái)，能有效解決鋅離子的枝晶和析氫等問(wèn)題，在軟包電池中將鋅離子電池的循環(huán)壽命提升3倍以上。”

圖為賴超團(tuán)隊(duì)研發(fā)的寬溫域和高功率凝膠電解質(zhì)

新型水系電池用在何處?

“新型水系電池既環(huán)保又安全，那能用于新能源汽車嗎?”采訪現(xiàn)場(chǎng)，記者分別向兩個(gè)團(tuán)隊(duì)提問(wèn)，答案一致是不能。

“電池的種類非常多，每一種都有著各自的優(yōu)劣，比如鋰電池能量密度高但成本高，且存在一定安全隱患，目前主要適用于動(dòng)力電池;鉛酸電池有著160多年的歷史，安全性高且成本低，但循環(huán)壽命短、對(duì)環(huán)境有污染;而新型水系電池能量密度高于鉛酸電池但不及鋰電池，其應(yīng)用場(chǎng)景更多是電動(dòng)自行車和大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域，特別是在需要高安全性、高環(huán)保性和低成本的場(chǎng)景中。”賴超說(shuō)。

“目前大多的基站使用鉛酸電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，一旦出現(xiàn)應(yīng)用故障，這些鉛酸電池可以作為直流電源維持其他設(shè)備運(yùn)行。但由于鉛酸電池的自放電特性，其電量保有的時(shí)間不長(zhǎng)，往往隔幾年就要換新。鉛酸電池對(duì)環(huán)境不友好，且多次換新勞民傷財(cái)，相比之下，水系電池全壽命周期更長(zhǎng)，是一個(gè)更理想的選擇。”毛武濤告訴記者，目前來(lái)看，新型水系電池的使用壽命和電池保養(yǎng)時(shí)間可以達(dá)到10年，其高功率密度和長(zhǎng)壽命特性可以用于電網(wǎng)調(diào)峰填谷、應(yīng)急備用電源等。“作為新能源配套儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要組成部分，新型水系電池有助于解決新能源發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性問(wèn)題，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。”

除此之外，賴超團(tuán)隊(duì)還嘗試將其研發(fā)的水系鋅離子電池應(yīng)用于電動(dòng)自行車。“徐州是全國(guó)電動(dòng)自行車生產(chǎn)的重要基地，然而生產(chǎn)的電動(dòng)車出廠都是不帶電池的，原因在于運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中存在風(fēng)險(xiǎn)。和電池相比，單純車架的利潤(rùn)比較低，而如果換成準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電池，其內(nèi)部更安全環(huán)保，更有利于整車出廠運(yùn)輸。”

電池領(lǐng)域的下一個(gè)風(fēng)口?

半年前，毛武濤團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里用水系鈉離子電池搭建了一個(gè)充放電裝置，其電量可以保有近1千瓦時(shí)電。為了測(cè)試該電池使用性能，團(tuán)隊(duì)每天對(duì)其充放電各一次，測(cè)試目前仍在進(jìn)行中。

“別看只有1千瓦時(shí)電，但難度不小。以前小范圍實(shí)驗(yàn)我們的材料制備往往只需要幾克，而計(jì)量放大后，我們可能一次要制備一公斤。盡管如此，1千瓦時(shí)電距離電站以10萬(wàn)千瓦時(shí)電為單位的保電量還有很大的差距。”毛武濤說(shuō)，新型水系電池的發(fā)展是一個(gè)漫長(zhǎng)且充滿創(chuàng)新的過(guò)程，從實(shí)驗(yàn)室里的1千瓦時(shí)電，到實(shí)際中的100千瓦時(shí)、1000千瓦時(shí)、1萬(wàn)千瓦時(shí)電。放大儲(chǔ)電容量后如何保證電池使用效果不變，是大家都在探索的事。

在賴超看來(lái)，將新型水系電池視作電池領(lǐng)域的下一個(gè)風(fēng)口，目前來(lái)說(shuō)還為時(shí)過(guò)早。“任何一個(gè)新的電池體系，都需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證。盡管目前新型水系電池市場(chǎng)很熱，研究的人也越來(lái)越多，但目前全球范圍內(nèi)還沒(méi)有完全成熟的新型水系電池產(chǎn)品。”

眼下，賴超團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一款寬溫區(qū)、長(zhǎng)壽命、高能量轉(zhuǎn)化效率的新型準(zhǔn)固態(tài)鋅動(dòng)力電池，在推廣應(yīng)用以后有望解決當(dāng)前普通電動(dòng)自行車電池的安全隱患。“目前這款電池已完成實(shí)驗(yàn)室階段的測(cè)試，下一步是上車檢測(cè)，期待盡快可以實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。”賴超說(shuō)。