鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：596次 | 2023年01月03日
31歲鄭州大學(xué)教授發(fā)明突破性固態(tài)電解質(zhì)熔融鋰金屬電池
鋰電池的安全問(wèn)題一直未被有效解決。
金屬鋰在充放電過(guò)程中容易出現(xiàn)鋰枝晶，堅(jiān)硬的鋰枝晶會(huì)刺穿隔膜引起短路和著火，所以科學(xué)家選用石墨替代金屬鋰作為負(fù)極材料。充放電過(guò)程中，鋰離子隨著電解液在正負(fù)極間往返運(yùn)動(dòng)。
但是這依舊無(wú)法杜絕鋰枝晶的形成，當(dāng)正負(fù)極材料中嵌入的鋰超過(guò)了承載范圍，依舊會(huì)出現(xiàn)鋰枝晶，帶來(lái)安全隱患。此外，有機(jī)電解液在高溫下會(huì)燃燒，也會(huì)帶來(lái)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。
而鋰電池作為新能源的重要載體，無(wú)論在出行，還是儲(chǔ)能方面，都被寄予厚望。電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)就是通過(guò)建立規(guī)模化儲(chǔ)能電站，在用電低峰期將風(fēng)能太陽(yáng)能等能源存儲(chǔ)起來(lái)，在用電高峰期再放電，緩解高峰期的用電壓力。
鋰電池儲(chǔ)能電站是目前的主流方法之一，以磷酸鐵鋰電池為主的鋰電池建設(shè)的儲(chǔ)能電站，已經(jīng)在浙江、湖南、江蘇等省份建立。比起電動(dòng)汽車，大規(guī)模推進(jìn)鋰電池電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)，在安全上要求更為嚴(yán)格。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
電網(wǎng)儲(chǔ)能相當(dāng)于上萬(wàn)個(gè)電池在一起，規(guī)模比電動(dòng)汽車大得多，假如出了安全性問(wèn)題的話，是非常致命的，影響的范圍也會(huì)非常的大，并且影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定性。所以說(shuō)它的安全性要求更嚴(yán)格。鄭州大學(xué)副教授金陽(yáng)告訴《麻省理工科技評(píng)論》我國(guó)。
最近，他憑借發(fā)明的新型固態(tài)電解質(zhì)熔融鋰金屬電池體系，入選《麻省理工科技評(píng)論》35歲以下科技創(chuàng)新35人。
這種全新的鋰電池體系，采用固態(tài)電解質(zhì)，以熔融金屬鋰作為負(fù)極材料，兼具高能量密度、低成本、高安全性的特點(diǎn)，是未來(lái)鋰電儲(chǔ)能的理想方法。
圖|《麻省理工科技評(píng)論》35歲以下科技創(chuàng)新35人2020年我國(guó)區(qū)榜單入選者金陽(yáng)
以高導(dǎo)鋰陶瓷管作為電解質(zhì)的新型電池體系
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
金陽(yáng)的本科專業(yè)是電氣工程，在碩博連讀期間，他前往美國(guó)麻省理工學(xué)院，跟隨李巨教授做研究期間開(kāi)始接觸電池的研究。隨后，他又前往斯坦福大學(xué)，跟材料學(xué)學(xué)者崔屹繼續(xù)研究鋰電池。新的鋰電池體系就是在崔屹老師的指導(dǎo)下開(kāi)始的。
其中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)是一個(gè)U型的陶瓷管，由它來(lái)負(fù)責(zé)傳導(dǎo)鋰離子，同時(shí)又阻止聚硫化物或聚硒化物的穿梭效應(yīng)。這個(gè)結(jié)構(gòu)要燒結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，金陽(yáng)從美國(guó)崔屹老師的實(shí)驗(yàn)室做到清華大學(xué)陶瓷國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
這是因?yàn)閁型管底部的曲面結(jié)構(gòu)成型條件復(fù)雜，在崔屹老師的實(shí)驗(yàn)室中，金陽(yáng)嘗試了半年都沒(méi)有成功。交流期滿，他想繼續(xù)把研究做下去，聯(lián)系到在清華大學(xué)陶瓷國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的伍暉副教授，繼續(xù)在清華訪學(xué)了一年。
以這種陶瓷管作為電解質(zhì)的新型電池體系的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，U型陶瓷管作為電解質(zhì)，負(fù)責(zé)傳導(dǎo)鋰離子，在U型管內(nèi)外分別裝載正負(fù)極材料。電池的負(fù)極采用熔融的金屬鋰，正極采用熔融合金。液-固-液的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓正負(fù)極液體和電解質(zhì)之間充分接觸，在充放電過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)鋰離子的快速運(yùn)輸。電池工作過(guò)程中，正負(fù)極材料都是熔融的金屬，高于鋰本身的熔點(diǎn)，鋰晶枝無(wú)法出現(xiàn)并且存在，這就杜絕了鋰晶枝帶來(lái)的安全隱患。并且，固態(tài)電解質(zhì)即使在高溫情況下也不會(huì)燃燒，電池也因此更安全。
圖|新型電池結(jié)構(gòu)（來(lái)源：NatureEnergy）
這種新型的電池的電流密度高達(dá)500mA/cm2（175mW/cm2），庫(kù)倫效率平均可達(dá)到99.98%。此外，這種電池的工作溫度也大大降低。和自1960年代以來(lái)報(bào)道的其它液態(tài)鋰金屬電池相比，工作溫度從450C降至240C。這一工作溫度下可以使用聚合物材料進(jìn)行密封和絕緣，降低了電池的生產(chǎn)成本。
金陽(yáng)介紹，假如電池在500度左右工作，要通過(guò)陶瓷焊接進(jìn)行密封，成本較高。而在200多度的條件下，可以使用硅膠進(jìn)行密封，這就降低了電池的成本。
陶瓷電解質(zhì)耐高溫的特性也為電網(wǎng)儲(chǔ)能的情景下供應(yīng)了更多的安全保障。無(wú)論電池體系做多大，運(yùn)行功率多高，即使瞬間溫度提高到四五百度，也沒(méi)有任何問(wèn)題，因?yàn)樘沾墒窃谝磺Ф喽鹊沫h(huán)境中燒結(jié)出來(lái)的。此外，假如運(yùn)行溫度突然下降，電池也會(huì)完全停止運(yùn)行，重新恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)行溫度后，電池可以續(xù)接啟動(dòng)。
在入職鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院之后，金陽(yáng)在院領(lǐng)導(dǎo)的支持下成立鄭州大學(xué)電網(wǎng)儲(chǔ)能和電池應(yīng)用研究中心，并擔(dān)任研究中心負(fù)責(zé)人，將這一電池體系的研究繼續(xù)推進(jìn)。
基于原有的固態(tài)陶瓷電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了液態(tài)鋰硫和鋰硒電池，能量密度可以超過(guò)500wh/kg和1000wh/L，并且將能量成本降低到$20/kWh。電池還具有高功率特性和大于1000次的長(zhǎng)循環(huán)壽命，以該電池作為動(dòng)力的電動(dòng)汽車可以實(shí)現(xiàn)6分鐘內(nèi)快速充滿電。
持續(xù)推進(jìn)電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域研究：提取高純度鋰金屬，探測(cè)微量鋰枝晶
金陽(yáng)在鄭州大學(xué)擔(dān)任電網(wǎng)儲(chǔ)能研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，開(kāi)發(fā)了新的鋰電池體系后，他從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)，持續(xù)進(jìn)行研究。
從生產(chǎn)成本的角度考慮，儲(chǔ)能電網(wǎng)的規(guī)模大，和光伏、太陽(yáng)能等發(fā)電技術(shù)配合使用，降低成本的需求更迫切。
金陽(yáng)告訴《麻省理工科技評(píng)論》我國(guó)，像光伏風(fēng)能它本身的成本已經(jīng)很低了，假如說(shuō)我們儲(chǔ)能的成本降不下來(lái)的話，其實(shí)是無(wú)法和新能源相配合的，也不好去建儲(chǔ)能電站。
2016年的《我國(guó)鋰礦調(diào)查報(bào)告》顯示，我國(guó)有豐富的鹽湖鋰礦，占到全國(guó)鋰資源的70%以上。要利用好這些鋰礦，可持續(xù)性地生產(chǎn)高純度鋰非常重要。
新電池體系中的陶瓷固體電解質(zhì)具有高鋰離子選擇性。金陽(yáng)利用這一特性，開(kāi)發(fā)了一種從低純度氯化鋰直接提取高純度鋰金屬的方法。利用固體電解質(zhì)關(guān)于鋰離子的單一選擇性，可以篩除鉀、鈉等其他的金屬，提取出來(lái)的金屬鋰純度大于99.7%，并且將生產(chǎn)成本降低為當(dāng)前國(guó)際鋰金屬價(jià)格的20％以下。
下一步，金陽(yáng)計(jì)劃將新型鋰電池體系進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，首先是將單體電池盡量做大，從而減少電池系統(tǒng)管理的復(fù)雜度。金陽(yáng)表示，希望能將單體電池做到實(shí)驗(yàn)室原型的十倍、甚至百倍大。在單體電池基礎(chǔ)上，完成100Kw的固態(tài)電解質(zhì)熔融鋰金屬電池模組中試，之后再建立2MW的儲(chǔ)能示范電站。
不過(guò)在新型的電池體系落地產(chǎn)業(yè)之前，眼下的儲(chǔ)能電網(wǎng)重要采用有機(jī)電解液磷酸鐵鋰電池，更緊迫的是要解決安全隱患，也就是充放電過(guò)程中鋰枝晶析出帶來(lái)的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。
金陽(yáng)和國(guó)家電網(wǎng)江蘇省電力公司合作進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)出一種基于氫氣探測(cè)的微量鋰枝晶析出靈敏檢測(cè)方法。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微量鋰枝晶析出的時(shí)候，會(huì)和石墨負(fù)極聚合物粘結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)，從而出現(xiàn)氫氣并溢出電池。氫氣在空氣中不存在，而目前商用的氫氣探測(cè)器的靈敏度能夠達(dá)到1ppm。在電池溫度沒(méi)有異常時(shí)，微米級(jí)的鋰枝晶（質(zhì)量約0.00028毫克，半徑約50微米）的析出也會(huì)觸發(fā)氫氣探測(cè)器報(bào)警。用這種將方法供應(yīng)早期信號(hào)，預(yù)警時(shí)間比熱失控提前10分鐘以上。這種方法可以供應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)整體早期安全預(yù)警、消除熱失控事故發(fā)生。
圖|利用氫氣探測(cè)微量鋰枝晶析出（來(lái)源：Joule）
江蘇省954.6MW的儲(chǔ)能電站已經(jīng)安裝了氫氣探測(cè)器，金陽(yáng)團(tuán)隊(duì)還參和修訂了鋰電池儲(chǔ)能電站的消防安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定新建設(shè)的儲(chǔ)能電站必須配備氫氣探測(cè)器以確保安全。
如今身為老師，金陽(yáng)也在將從李巨、崔屹兩位老師身上學(xué)習(xí)到的科研態(tài)度傳給學(xué)生。
他從兩位老師身上體會(huì)最深的就是能夠去想別人沒(méi)有做過(guò)的東西，嘗試革命性的研究。兩位老師都堅(jiān)信，做研究就是要改變世界，他也在向這個(gè)方向努力。作為一位青年科學(xué)家，做出研究貢獻(xiàn)的同時(shí)能夠培養(yǎng)學(xué)生，兩者都讓他體會(huì)到滿足。
金陽(yáng)回憶跟隨李巨老師做實(shí)驗(yàn)時(shí)的嚴(yán)格要求。老師會(huì)要求他把實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)細(xì)節(jié)每一個(gè)內(nèi)涵都搞清楚，非常難實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)證也會(huì)嘗試去做。這樣最終成果的質(zhì)量就會(huì)非常高。跟隨崔老師做研究時(shí)，開(kāi)組會(huì)進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，大家一起討論各種想法，雖然很多想法最終會(huì)被否定，但是這個(gè)過(guò)程鍛煉了思維能力。
我現(xiàn)在也會(huì)去想，什么東西別人壓根都不會(huì)去想，也不會(huì)去做，但是這個(gè)東西確實(shí)有用。這也是一個(gè)思維的和創(chuàng)新的能力，我覺(jué)得這個(gè)很重要。
