突破瓶颈带来应用期待 新型电池技术百家齐放

近年来，随着全球能源需求的持续攀升，能源结构不断调整，为满足当下各种不同应用场景的需求，科研机构越发关注新型电池的研发与探究，新型电池技术百花齐放。今天我们来盘点几款近期在科研上取得新进展的新型电池。

1.钙-氧电池

近日，复旦大学科研人员创建出一种新型钙-氧气电池，可在室温条件下充放电，稳定运行700次循环，展现出高安全性、较低成本等优势，并为可穿戴电池织物的发展提供了新思路。2月7日，相关成果在线发表于《自然》。

钙金属具有低氧化还原电位和多价性等特性，结合我国丰富的钙资源，基于金属钙的电池体系在未来的能源应用中具有广阔前景。

然而，钙金属负极具有高电化学活性，容易导致电解液被还原分解并在电极表面形成钝化层，使得钙金属负极失效；空气正极具有高电极电势，容易导致电解液氧化分解，正极电化学性能迅速衰退。目前仍难以找到一种能与钙金属负极相匹配，且能适应高电极电势空气正极的电解质，严重制约了钙-氧气电池的发展。

钙-氧气电池结构示意图（图片来源：复旦大学）

为了解决这一挑战，团队通过系统设计溶剂、电解质盐以及电解质配比，成功制备出一种基于二甲基亚砜/离子液体的新型电解质，有效满足了电池正负极的高要求，构建了可室温工作的新型钙-氧气电池。

该研究发展出的钙-氧气电池主要由三个部分构成：金属钙负极、碳纳米管空气正极和有机电解质。

该电池设计不仅优化了性能和成本，也兼顾了环境的可持续性与在柔性电子设备中的应用要求。其中，金属钙负极不仅成本较低，还具有较高的理论容量，有利于全电池实现较高的能量密度。同时，可进一步将金属钙负载到柔性基底上，得到柔性的金属钙负极，为实现柔性钙-氧气电池奠定基础；电解质采用基于二甲基亚砜/离子液体体系，这种电解质在室温下不仅表现出了高离子导率，还展示了稳定的电化学特性，显著提升了电池的整体安全性；正极材料则采用了较为环保的碳材料，不含昂贵的贵金属催化剂，并利用空气中的氧气作为反应物，有助于降低电池的制造成本。

2.水性锌离子电池

水系锌离子电池具有安全性好、成本低等优点，在储能领域具有重要的应用潜力。然而，电解液中的水在锌离子电池中就像一把双刃剑，得益于采用水溶剂，锌离子电池不仅安全，还具有高离子电导率，保证电池具有出色的快速充放电能力。此外，电解液中水的存在有助于提供质子以插入正极材料，从而提高容量。但是，过量的水会导致负极的腐蚀、锌枝晶形成以及正极材料的溶解问题，从而影响了锌离子电池的长期循环性能。因此，为了同时实现锌离子电池的高容量和长寿命，必须精确控制水含量。

图片来源：中国科学院大连化物所

据《中国科学报》1月25日消息，近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员杨维慎、朱凯月团队在锌离子电池电解液研究方面取得新进展。团队揭示了电解液中水含量对正负极界面动力学和可逆性的影响，发现通过适当调控电解液中的水含量，就可以打破锌离子电池中高容量和长寿命难以兼得的限制，使二者同时实现。相关成果发表于《化学科学》。

在研究工作中，科研团队选择乙腈作为有机溶剂代表，探究了电解液中不同水含量对正负极反应动力学和稳定性的影响，并找出对全电池容量和寿命的影响规律。研究发现，电解液中即使只有少量水，也能实现锌离子电池的最高容量，并表现出优异的长期循环稳定性。在6A/g电流下，经过9,000次循环后容量保留率高达80%。

另外，团队系统深入研究了含水量对钒基正极和锌负极界面微观反应机制的影响，不仅加深了对锌离子电池机理的理解，也为通过电解液设计实现锌离子电池优异性能提供了新思路。

3.晶硅电池

2023年，中国“新三样”出口首破万亿。海关数据显示，我国光伏组件产量已连续16年位居全球首位，多晶硅、硅片、电池片、组件等产量产能的全球占比均达80%以上。全球光伏发电装机容量近一半在中国。

图片来源：江苏科技大学

1月31日，据江苏科技大学科学技术研究院报道，江苏科技大学、隆基绿能科技股份有限公司、澳大利亚科廷大学等合作的研究成果“Flexible Silicon Solar Cells with High Power-to-Weight Ratios”（高柔韧性、高功率重量比的晶硅异质结太阳能电池）在国际顶级期刊《Nature》上发表。

晶硅太阳能电池是目前光伏产业的支柱产业。传统的晶硅电池面临两大瓶颈问题：一是，产业化的大面积晶硅电池其功率转换效率始终难以突破26%的关口。不同的技术路线，包括钝化发射极背接触（PERC）、隧穿氧化物钝化接触（TOPCon）、硅异质结（SHJ），商用转换效率在24%~25%范围内。

另一方面，目前较为先进的晶硅电池厚度一般在150~180μm范围内，重量大、易破碎、无柔韧性。对安装弧度要求高和重量要求严苛的使用环境，如海面漂浮式光伏（海）、曲面屋顶（陆）、卫星空间站（空）等，晶硅太阳能电池无法胜任。因此，研发具有高转换效率、大面积、重量轻、柔韧性好、低成本的晶硅太阳能电池一直是研究人员的梦想。

在本项工作中，团队创新性的通过将晶圆减薄至55~130μm厚度，并开发与之相适应的无外延复合梯度钝化（低损伤连续等离子CVD）、自修复纳米晶播种与掺杂接触垂直生长、透明导电层的低损伤反应等离子沉积、无接触激光转印栅线等技术革新，使57~125μm厚的SHJ电池的转换效率达到了破纪录的26.81%（德国哈梅林太阳能研究所认证），其中57μm厚电池的功率重量比达到了惊人的1.9W/g，曲率半径19mm。

本成果在国际上首次实现了具有高柔韧性、高功率重量比的晶硅异质结太阳能电池，从根本上革新了人们对晶硅太阳能电池厚重、易碎的传统印象，大大拓展了晶硅电池的应用范围。

4.全钒液流电池

据中国科学院1月3日消息，近日，中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员李先锋团队，开发出70kW级高功率密度全钒液流电池单体电堆。该单体电堆体积功率密度由目前的70kW/m³提高至130kW/m³，在体积保持不变的条件下，功率由30kW提高至70kW，成本较目前的30kW级电堆降低40%，有望助推全钒液流电池的商业化进程。

全钒液流电池因其安全性高、寿命长、效率高、环境友好等特点，是大规模储能的首选技术之一。目前由于全钒液流电池初始投入较高，限制了其进一步普及应用。电堆是全钒液流电池系统主要核心部件，其功率密度决定了电堆成本。功率密度越高，相同输出功率条件下，电堆体积越小，成本越低。

大连化物所开发出70kW级高功率密度全钒液流电池单体电堆（图片来源：中国科学院）

在本工作中，李先锋团队采用自主开发的新一代高选择性可焊接多孔复合膜和可焊接高导电双极板，利用其可焊接特性，开发出短流程、超薄电池结构，并结合低流阻、高均匀分配流道的结构设计，研制出70kW级电堆。经测试，该电堆在70kW额定功率充放电条件下的能量效率为81.0%；在60kW恒功率充放电条件下能量效率为82.1%。此外，该电堆连续稳定运行1200多个循环后，能量效率衰减率仅为1.7%。使用该电堆，可将一个20尺的250kW储能单元模块升级为500kW储能单元模块，不仅功率单元体积大幅减小，而且降低了系统配套设施的成本。该电堆的开发，提升了储能系统功率单元的集成度，有望提升储能系统的经济性和可靠性。

5.钠离子电池

1月24日，大连化学物理研究所官网消息，近日，大连化学物理研究所储能技术研究部（DNL17）李先锋研究员、郑琼研究员团队和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所蔺洪振研究员合作，在钠离子电池电解液研究方面取得新进展。

钠离子电池具有资源丰富、成本低廉、性价比高等优势，在中低速电动车和大规模储能等领域应用前景广阔。醚类电解液因其低熔点和高电导性等优势成为钠离子电池相适配的优选电解液体系之一。但是，醚类电解液较高的最高占据分子轨道能级（HOMO）使其固有抗氧化性不足，当电池电压超过4.0V（vs.Na/Na+）时，会发生剧烈氧化分解，难以形成稳定可靠的电极/电解液界面（CEI），造成严重的不可逆容量损失和较差的电化学稳定性，因此无法有效应用于电压较高的正极材料体系。同时，醚类电解液的低闪点和易燃性增加了其高温下的热失控风险，也限制了其在钠离子电池中的普适性应用。

图片来源：大连化学物理研究所

针对上述问题，研究团队利用全氟阴离子与正极和溶剂之间的相互作用，设计并开发了系列含全氟阴离子添加剂的醚类电解液体系。研究发现，添加剂和正极间的强亲和作用，可发生优先吸附，减少了自由溶剂分子与电极间的接触；同时，高HOMO能级可作为自牺牲剂优先于溶剂氧化，形成富含C-F/NaF的CEI界面，改善了醚类电解液的抗氧化性和界面钠扩散动力学，实现了醚类电解液耐受电压由3.6V提高至4.5V（vs.Na/Na+），循环1,900次后容量保持率高达91%。此外，团队还发现，全氟阴离子添加剂和醚类溶剂之间形成的-C-F··H-C-赝氢键，可以显著改善电解液的热稳定性，在60°C下稳定循环100次后容量基本无衰减。该新型醚类电解液体系开发不仅为钠离子电池界面化学调控提供了创新的设计思路，而且对拓宽醚类电解液体系在钠离子电池中的实际应用提供了新思路。

总结：

伴随科研人员的不断探索，我国在新型电池的研发上不断突破，尽管在当前技术条件下，新型电池的投产应用还需时间，仍需要我们整个行业的共同努力。相信在技术创新、市场需求与政策导向的加持下，作为未来能源储存与应用的重要载体之一，新型电池终将对推动全球能源结构向可再生能源转变发挥重要作用。