新能源的“新寵兒”！號(hào)稱“水系”電池，如何克服鋰電池致命缺陷？

能源是人類社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力。近年來，隨著全球“碳達(dá)峰、碳中和”發(fā)展目標(biāo)的確定，基于可再生能源利用的大規(guī)模儲(chǔ)能和新能源汽車的普及推廣也成為發(fā)展的必然趨勢(shì)，人們對(duì)于安全、環(huán)保、高能量密度、低成本電池的需求愈加迫切，這也對(duì)科學(xué)家們探索新一代電池提出了更高的要求。在這一背景下，水系鋅離子電池因?yàn)楦甙踩?、低成本和環(huán)境友好等特性被認(rèn)為是極具潛力的可持續(xù)儲(chǔ)能技術(shù)之一。鄭州大學(xué)物理學(xué)院教授李新亮的研究方向就與這一領(lǐng)域密切相關(guān)。

▲李新亮

多年如一日，李新亮腳踏實(shí)地投身在科研工作中，在水系電池/鹵素電池儲(chǔ)能體系，以及電磁波吸收/屏蔽器件研發(fā)中取得了一系列創(chuàng)新性科研成果?！坝行业氖?，我的個(gè)人研究興趣與國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展需求相契合，為此攻堅(jiān)克難，求是擔(dān)當(dāng)?！彼f。

腳踏實(shí)地，一步步走上科研道路

凡事都要腳踏實(shí)地去做，為之則易，不為則難。李新亮的科研之路更像是大多數(shù)普通學(xué)子的寫照。2011年他考入鄭州輕工業(yè)大學(xué)物理與電子工程專業(yè)，儲(chǔ)能方向的研究在當(dāng)時(shí)并不算熱門。大學(xué)階段，他懷揣夢(mèng)想的同時(shí)，感受到更多的是迷茫。

隨著對(duì)于儲(chǔ)能研究的深入學(xué)習(xí)，李新亮逐漸發(fā)現(xiàn)這一領(lǐng)域的科研成果是切切實(shí)實(shí)能夠落地進(jìn)行應(yīng)用轉(zhuǎn)化的。為了能夠更深入學(xué)習(xí)相關(guān)領(lǐng)域的科研知識(shí)，本科畢業(yè)后他又相繼在西北工業(yè)大學(xué)、香港城市大學(xué)攻讀碩士和博士學(xué)位。也正是在之后的階段，他遇到了對(duì)自己科研生涯有著重要影響的殷小瑋教授、支春義教授。

李新亮直言，自己本科畢業(yè)后經(jīng)歷了一段迷茫的時(shí)期，正是在碩士生導(dǎo)師殷小瑋教授的指導(dǎo)下，將研究方向定在了抗輻射材料，一步步走上了科研的道路。在香港城市大學(xué)期間，李新亮在博士生導(dǎo)師支春義教授的指導(dǎo)下，將抗輻射材料研究與儲(chǔ)能課題相結(jié)合，開展安全儲(chǔ)能和柔性可穿戴電子相關(guān)的研究，以服務(wù)于國(guó)家在民用和重要領(lǐng)域的潛在需求。除此之外，攻讀碩博學(xué)位期間，兩位導(dǎo)師給李新亮提供了十分自由的科研環(huán)境，讓他能夠發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，在興趣的驅(qū)使下不斷探索前行?！耙婚_始，我對(duì)于科研的規(guī)劃與未來的目標(biāo)是模糊的，正是在他們的一步步引領(lǐng)下，我成長(zhǎng)了許多，沒有他們的幫助，我想我沒什么機(jī)會(huì)走上這條科研之路。”李新亮說。

為了讓自己所做的科研工作盡快落地，博士畢業(yè)后，李新亮加入香港城市大學(xué)-香港大鋅能源有限公司從事安全儲(chǔ)能科學(xué)研究。李新亮深知：從實(shí)驗(yàn)室到企業(yè)應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，特別是實(shí)驗(yàn)室的研究成果到大批量產(chǎn)品生產(chǎn)這一過程中，會(huì)遇到諸多“放大型”問題與困境。而在香港大鋅能源有限公司工作的這段時(shí)間，李新亮嘗試將科研工作從問題導(dǎo)向到研究導(dǎo)向、應(yīng)用導(dǎo)向進(jìn)行了轉(zhuǎn)變，這為他今后的科研選題提供了更為全面的視角。

立足現(xiàn)狀，創(chuàng)新水系電池研究

2020年9月，中國(guó)明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)。

在新能源成為趨勢(shì)的今天，電池已廣泛應(yīng)用于新能源汽車、消費(fèi)類電子設(shè)備及各式儲(chǔ)能電源系統(tǒng)中。在這一社會(huì)背景下，李新亮肩負(fù)科研人員的責(zé)任，迫切想要在相關(guān)領(lǐng)域中做些什么。

眾所周知，新能源汽車中廣泛應(yīng)用的鋰離子電池，具有能量密度高、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。然而，鋰電池要求極高的密封性，尤其是在服役期間要隔絕水氧環(huán)境，一旦電池遭遇諸如碰撞、擠壓等破壞電池封裝的突發(fā)情形時(shí)，電芯極有可能觸發(fā)一連串鏈?zhǔn)椒艧岱磻?yīng)，甚至起火爆炸……在這一背景下，李新亮認(rèn)為開發(fā)更具安全性、更綠色、更穩(wěn)定的水系電池來滿足極其注重電池安全特性的安全儲(chǔ)能領(lǐng)域的需求刻不容緩，尤其是與人體直接接觸的可穿戴電子甚至內(nèi)植入型醫(yī)療設(shè)備。

李新亮介紹說，水系電池作為一種新興的電池技術(shù)，具有內(nèi)在的安全性和快速充放電能力，能夠延長(zhǎng)電池的使用壽命和讓電池具備應(yīng)對(duì)多種嚴(yán)苛儲(chǔ)能/供能情景的能力，在可再生能源儲(chǔ)存系統(tǒng)、電動(dòng)車輛和便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。“所以我們現(xiàn)在研究的主要方向就是通過研發(fā)水系電池，以填補(bǔ)當(dāng)前鋰離子電池不適用的安全儲(chǔ)能市場(chǎng)的供應(yīng)鏈空白，同時(shí)在未來的研究中，我們也考慮將復(fù)雜電磁/紅外背景下的輻射問題納入服役安全性的動(dòng)態(tài)評(píng)估范圍之內(nèi)?！彼f。

在這一過程中，李新亮和研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)水系電池進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，以確保電池各部分組件的高度適配。其次，他們引入了溫度和電壓監(jiān)控系統(tǒng)，以及過電流和過壓保護(hù)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池運(yùn)行狀態(tài)，追蹤異常情況的發(fā)生。此外，他們還通過電極和電解質(zhì)的改性，在提升電化學(xué)性能的同時(shí)減少水系電池服役過程中可能的副反應(yīng)，從而提高水系電池的安全性和穩(wěn)定性。

水系電池中的電解質(zhì)載體——水是一種低成本、可再生且環(huán)境友好的溶劑，相較于傳統(tǒng)有機(jī)電池中的有機(jī)溶劑，水具有內(nèi)在的安全性，并且成本更低，對(duì)環(huán)境的影響小。此外，水系電池還具有可再生性，水和金屬鹽是可再生資源，通過再生或回收利用可以降低資源消耗，并減少對(duì)稀有金屬的需求。然而，以水作為電解質(zhì)，有一個(gè)弊端，那就是水的穩(wěn)定電壓窗口較窄，而且可能與電極發(fā)生副反應(yīng)，尤其是金屬負(fù)極端，導(dǎo)致電池服役壽命的降低。在相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，李新亮也致力于開發(fā)新型高能量密度鹵素電池。

由于鹵素具有氧化還原電位高、成本低、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，在電極材料中表現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。在這一背景下，李新亮團(tuán)隊(duì)提出了一種高效的電解液調(diào)制策略來實(shí)現(xiàn)鹵素在轉(zhuǎn)化型儲(chǔ)能體系中的可逆多價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變，并選取更為安全的鹵化鹽作為活性鹵素源替代傳統(tǒng)鹵素單質(zhì)作為概念驗(yàn)證，構(gòu)建了前所未有的基于多電子轉(zhuǎn)化化學(xué)的高性能鹵素轉(zhuǎn)化電池。值得一提的是，他們通過一系列科研探索，成功將鹵素電池的能量密度提升到原始數(shù)值的200%以上，顯著提升了鹵素電池儲(chǔ)能能力。此外，李新亮團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新型氧化還原機(jī)制表現(xiàn)出卓越的低溫適應(yīng)性，極大地拓寬了鹵素電池的應(yīng)用場(chǎng)景。

放平心態(tài)，推進(jìn)科研攻關(guān)

科學(xué)研究，久久為功。李新亮深知，水系電池性能的提升不是一蹴而就的，有時(shí)候一項(xiàng)性能的測(cè)試可能要一年或者幾年才會(huì)看到成效，其中必定會(huì)遇到一系列問題?！坝龅絾栴}時(shí)，首先我們一定要廣泛地閱讀文獻(xiàn)，吸取他人的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，其次一定要和自己的導(dǎo)師、同事相互探討，進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，總是會(huì)有收獲的?！崩钚铝琳f。

2023年，對(duì)于李新亮來說是人生新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這一年三十而立的他回到了自己的故鄉(xiāng)河南，來到了鄭州大學(xué)物理學(xué)院開展科研工作?！翱偸且腥嘶貋硖钛a(bǔ)‘科技洼地’的，我不過是其中的一分子?！彼f。作為引進(jìn)科研人才，無(wú)論是河南省還是鄭州大學(xué)及鄭州大學(xué)物理學(xué)院，在生活和科研環(huán)境方面都給了李新亮很大的支撐，幫助他消除后顧之憂。如今，半年多的時(shí)間，他在馬不停蹄組建自己科研團(tuán)隊(duì)的同時(shí)，也根據(jù)自己的研究基礎(chǔ)，確定了未來的工作方向?！笆紫?，我們以提升電池的性能和穩(wěn)定性為目標(biāo)，針對(duì)領(lǐng)域內(nèi)前沿方向和開放科學(xué)問題制訂一些探索方案，通過大量的科研實(shí)踐，去判斷相關(guān)方案是否具有可行性。在此期間，如果能夠切實(shí)解決一些技術(shù)難題，提出一些基礎(chǔ)創(chuàng)新理論模型，推進(jìn)領(lǐng)域向前走一小步，就再好不過了。”他說。

路漫漫其修遠(yuǎn)兮，在水系電池技術(shù)開發(fā)探索中，失敗和挫折是再平常不過的事，但李新亮始終堅(jiān)信付出總會(huì)有收獲。在不久的將來，他希望能夠打造一個(gè)獨(dú)具特色的以復(fù)雜安全儲(chǔ)能為基礎(chǔ)的科研團(tuán)隊(duì)，將研究方向瞄準(zhǔn)國(guó)家的重大科技需求，努力作出自己的貢獻(xiàn)。“隨著技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)可行性的提高，我們可以期待在未來幾年內(nèi)看到水系電池技術(shù)逐漸進(jìn)入市場(chǎng)，為國(guó)家、為社會(huì)、為普通消費(fèi)者提供更可靠、環(huán)保的安全能源解決方案。”李新亮滿懷信心地說。