中國儲能網(wǎng)訊：8月24日—26日，由深圳市發(fā)展和改革委員會指導(dǎo)，中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會與南方科技大學(xué)碳中和能源研究院聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的碳中和能源高峰論壇暨第四屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應(yīng)用大會與新型儲能技術(shù)青年科學(xué)家論壇在深圳召開。此次大會主題是“開拓新質(zhì)生產(chǎn)力，推動儲能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展”。
在新型儲能技術(shù)青年科學(xué)家論壇上，北京理工大學(xué)珠海材料與環(huán)境學(xué)院副院長詹世景做了題為《先進(jìn)電化學(xué)儲能體系及關(guān)鍵材料研究》的主題演講。
北京理工大學(xué)珠海材料與環(huán)境學(xué)院副院長詹世景
一、發(fā)展背景
根據(jù)國家能源戰(zhàn)略布局，2005年《可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)目錄》提出了儲能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃，此后“碳中和、碳達(dá)峰”和“二十大”都提出深入推進(jìn)能源革命，加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系，這些戰(zhàn)略對儲能來說是非常重要的。
我國可再生能源進(jìn)入大規(guī)模躍升新階段。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計，截至2023年底，全國電力裝機(jī)總量29.2億千瓦，同比增長13.9%。全國可再生能源總裝機(jī)突破了14.5億千瓦，占總裝機(jī)容量的50%。其中風(fēng)電4.4億千瓦，同比增長20%，太陽能同比增長55.2%。
我國能源結(jié)構(gòu)占比已經(jīng)實現(xiàn)了大調(diào)整，可再生能源已經(jīng)成為主流，占比為53.8%。根據(jù)國家能源局的數(shù)據(jù)，截至2024年6月底，全國可再生能源的發(fā)電總量達(dá)到了16.53億千瓦，同比增長25%，占我國發(fā)電總裝機(jī)量的53.8%。太陽能發(fā)電7.14億千瓦，同比增長51.6%，風(fēng)電裝機(jī)4.67億千瓦，同比增長19.9%，風(fēng)光兩項加起來已經(jīng)超過了煤電的裝機(jī)總量。由于風(fēng)光發(fā)電必須有儲能的配套，這對儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到重大助力。
目前的儲能技術(shù)按照儲存方式和介質(zhì)的不同分為物理、電化學(xué)、電磁、熱儲能和化學(xué)儲能等。物理儲能主要是以抽水蓄能為主，相對來說技術(shù)成熟、建設(shè)成本比較低，轉(zhuǎn)化效率達(dá)70%-85%，但條件比較苛刻，建設(shè)周期比較長。電化學(xué)儲能主要以鋰電池、鉛酸電池和全釩液流電池為主，其中鋰離子電池的轉(zhuǎn)化效率比較高，產(chǎn)業(yè)配套比較成熟；而電磁儲能更適用于放電時間短且迅速的功率型儲能。
2023年是儲能行業(yè)爆發(fā)式增長的階段，新增量達(dá)到了22.6GW/48.7GWh，與2022年相比增長超過了260%。2023年底，我國已經(jīng)建成31.4GW/66.9GWh，平均儲能時長2.1小時，近10倍于“十三五”的裝機(jī)規(guī)模，鋰電占比很高，達(dá)97.4%，處于絕對的主導(dǎo)。2023年的增量已經(jīng)超過之前總量的2倍，預(yù)計到2025年底，儲能累計裝機(jī)量將超過100GW，新型儲能規(guī)模大概為35-78GW，“十四五”期間年均增長率超過60%。
對比電化學(xué)儲能的指標(biāo)，現(xiàn)在大規(guī)模應(yīng)用階段的技術(shù)為磷酸鐵鋰電池以及鉛酸電池；其中磷酸鐵鋰電池在很多方面都具有優(yōu)勢，固態(tài)電解質(zhì)還處在技術(shù)研發(fā)為主的階段。
大規(guī)模儲能在能源互聯(lián)，與太陽能、風(fēng)能、海洋能等能源配合方面都具有很大的應(yīng)用場景，在新能源交通、5G通信、航空航天等領(lǐng)域也有各種各樣的應(yīng)用場景。美國、歐盟、日本等一系列國家都推出了自己的戰(zhàn)略規(guī)劃。
2019年諾貝爾化學(xué)獎：“鋰離子電池的研發(fā)開創(chuàng)了一個可充電的世界”。但不同的體系都面臨著各自的挑戰(zhàn)以及工程化問題，總體來說，還要在電池能量密度、工藝特性、壽命和電池的安全性等方面得到提升。而電池性能要不斷提升，需要在機(jī)制和關(guān)鍵材料上進(jìn)行持續(xù)創(chuàng)新。
二、研究進(jìn)展
我們組圍繞電化學(xué)儲能體系及材料研究方面做了大量工作。
1.多電子反應(yīng)的機(jī)制研究
我們把元素周期表的元素按正負(fù)極進(jìn)行匹配，建立了一系列電池反應(yīng)體系。按熱力學(xué)特性可分為七個體系，針對不同反應(yīng)類型的代表性電極材料，實現(xiàn)了對離子的傳輸和電極反應(yīng)的模式進(jìn)行了一系列的研究。這是熱力學(xué)整體的通式。載流子價態(tài)，載流子個數(shù)以及陰陽離子價態(tài)變化是熱力學(xué)的關(guān)鍵因素，這是我們的系列計算公式，核心要求主要就是載流子的類型。
為了提升電池的功率特性以及離子的傳輸速度，不可避免要對動力學(xué)進(jìn)行優(yōu)化，典型的動力學(xué)過程主要有這七個過程，包括金屬的沉積以及剝離、離子溶劑化等。我們對應(yīng)這些過程，進(jìn)行了動力學(xué)計算。
總體來看，多電子的反應(yīng)機(jī)制和這四大類型有關(guān)。載流子的類型決定了轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，并影響了存儲過程的動力學(xué)；主體材料類型決定了反應(yīng)的類型，是影響動力學(xué)過程的關(guān)鍵因素；電解質(zhì)的類型影響界面的穩(wěn)定性和動力學(xué)性能；相互作用類型決定了反應(yīng)類型，化學(xué)鍵是影響動力學(xué)的直接因素。
2.鈉離子電池材料
鈉離子電池正極材料：通過多金屬摻雜以及結(jié)構(gòu)調(diào)控，對普魯士藍(lán)類似物進(jìn)行了系列研究。針對富鈉結(jié)構(gòu)普魯士藍(lán)在儲鈉中晶格畸變、缺陷且界面不穩(wěn)等性等技術(shù)難點，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)控、金屬摻雜、精準(zhǔn)離子交換等方法設(shè)計研制新結(jié)構(gòu)組成。
鈉離子電池負(fù)極材料：通過引入電化學(xué)惰性Ti元素，構(gòu)建納米片堆疊的中空花狀結(jié)構(gòu)；設(shè)計陽離子缺陷的金屬硒化物材料，構(gòu)建了納米片陣列結(jié)構(gòu)；通過低溫環(huán)境合成羥基化合物用于儲鈉。特殊結(jié)構(gòu)負(fù)極改善了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，抑制了體積膨脹，提高了電子的電導(dǎo)率，提升了循環(huán)性。特別要提一下的是：羥基化合物負(fù)極與普魯士藍(lán)體系具有很好的匹配度。
我們也關(guān)注鈉離子電池電解質(zhì)的設(shè)計與開發(fā)，重點討論了不同鈉離子電池電極材料體系與電解質(zhì)之間的匹配關(guān)系。與鋰離子電池相比，鈉離子電池的界面穩(wěn)定性對整體性能影響更關(guān)鍵。無機(jī)組成部分的含量對于鈉離子傳輸能壘和界面穩(wěn)定性產(chǎn)生了決定性的影響。
高安全電解液：我們對電解液進(jìn)行了一個系列的研究，離子液體化學(xué)將在開發(fā)新型高離子電導(dǎo)率離子凝膠膜電解質(zhì)中發(fā)揮重要作用。從另一個方面來看，骨架的大表面積（物理）和各種官能團(tuán)（化學(xué)）產(chǎn)生的主客體相互作用也為改善離子導(dǎo)電性提供了無限的機(jī)會。與純液體相比，凝膠狀物質(zhì)具有強(qiáng)大的機(jī)械強(qiáng)度和形狀靈活性。形狀靈活性甚至可以賦予電解質(zhì)自愈能力，這在柔性電子設(shè)備的電池應(yīng)用中尤其有價值和可取。
近年來，團(tuán)隊通過在電解質(zhì)側(cè)不斷深入挖掘，制備了咪唑啉酮類、唑烷酮類、哌啶類、吡咯烷類等離子液體、亞硫酸酯類/異氰酸酯類添加劑復(fù)合的高安全/寬溫帶特性的液態(tài)功能電解質(zhì)，提高電池的安全性能。通過在電池的電解液中添加較少劑量的添加劑，就能夠針對性地提高電池的某些性能。例如可逆容量、電極/電解液相容性、循環(huán)性能、倍率性能和安全性能等，在電池中起著非常關(guān)鍵的作用。
3.鋅離子電池材料
水系鋅離子電池具有安全環(huán)保、成本低、電導(dǎo)率高等特點，針對正極材料易溶解、電解液相溶性差等問題，將聚（1，5-萘二胺）和聚（對氨基苯酚）原位沉積至多孔碳，制備含C=O 和C=N 新型有機(jī)物復(fù)合正極，得益于多活性儲鋅位點和聚合物的協(xié)同儲能機(jī)制，其具有優(yōu)異比容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。利用高效、低成本且綠色的氯化鈰（CeCl3）作硫酸鋅電解液的添加劑，其利用鋅表面動態(tài)靜電屏蔽層的形成，促進(jìn)鋅金屬的致密沉積并抑制析氫，有效提高電極穩(wěn)定性。
針對負(fù)極穩(wěn)定性差的問題，在鋅箔上摻雜了石墨烯的改性層，有效誘導(dǎo)金屬鋅沉積在(002)晶面，提出了三維調(diào)控鋅金屬負(fù)極的增長和副反應(yīng)的設(shè)計方案，突破了低濃電解液中保護(hù)膜的技術(shù)難點，實現(xiàn)了性能的穩(wěn)定提升。
4.鋰硫電池材料
針對硫電極導(dǎo)電性差，比容量難以發(fā)揮的難題，設(shè)計了三維多孔層狀結(jié)構(gòu)的碳/硫復(fù)合材料和核殼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物/硫復(fù)合材料，構(gòu)筑了三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和Li+擴(kuò)散的多孔通道，材料比容量大于1300mAh/g，是商用鋰離子電池正極的8-10倍。
為了解決飛梭的效應(yīng)和循環(huán)穩(wěn)定性差的難題，我們設(shè)計了選擇性通過隔膜以及多位點功能的夾層，抑制了穿梭，提高了物質(zhì)利用率和循環(huán)性，循環(huán)性能提升了5倍以上。
針對材料集成及電池工程化制備難度大的難題，設(shè)計分步涂覆法構(gòu)筑厚硫正極，具有硫含量高70wt% 、工藝簡單和電解液用量少等優(yōu)點；通過合成方法創(chuàng)新，采用模塊組裝模式構(gòu)筑微米級的超結(jié)構(gòu)高載硫正極，硫載量高達(dá)8.9mg/cm2，單位面積容量達(dá)到8.4 mAh/cm2。
針對電池的循環(huán)性和功率性能的需求，基于MOF納米顆粒分別和柔性碳纖維、剝離的MXene納米片靜電自組裝并通過原位硒化策略制備得到分級多孔多面體CoSe 、 CoSe-ZnSe異質(zhì)結(jié)構(gòu)及0D-2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑。其對多硫化物具有多重吸附位點，可優(yōu)化多硫化物吸附，抑制了穿梭效應(yīng)，并實現(xiàn)電池樣品在貧液和高載硫條件下的長循環(huán)和高倍率特性。
我們團(tuán)隊建立了一個能源材料及器件原位表征平臺，可以對電池材料進(jìn)行形貌、結(jié)構(gòu)、組成、力學(xué)等方面進(jìn)行全方位的分析，實現(xiàn)了綠色電池關(guān)鍵材料和新型電池體系的構(gòu)筑，電池和材料失效分析等方面的系統(tǒng)研究。還建成了高性能鋰離子的二次電池的制備平臺，擁有十萬級的高潔凈度以及智能數(shù)據(jù)的采集和控制管理。團(tuán)隊研制出高能量密度的電池以及高循環(huán)壽命電池，通過模組的優(yōu)化設(shè)計，先后在多個方面開展了應(yīng)用。
三、未來展望
全球儲能裝機(jī)規(guī)模：預(yù)計2025年全球儲能規(guī)模應(yīng)該有488GWh。在中國高復(fù)合年均增長率非常高，未來幾年應(yīng)該有110%，新增裝機(jī)量中，以政策推動的發(fā)電側(cè)(新能源)占比最大。美國高復(fù)合年均增長率大于90%，歐盟復(fù)合增長率35%。
應(yīng)用場景分析：預(yù)計到2025年大型儲能復(fù)合增長率113%，工商儲能應(yīng)該在95%，戶用儲能在87%，這幾年在儲能領(lǐng)域應(yīng)該會有很大的發(fā)展。
2022年我國20個省市/自治區(qū)發(fā)布了“十四五”期間儲能發(fā)展目標(biāo)，預(yù)計到2025年，將累計實現(xiàn)54GW。
北京理工大學(xué)先進(jìn)能源材料與智能電池創(chuàng)新團(tuán)隊依托“北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心”、“環(huán)境科學(xué)與工程北京市重點實驗室”等國家級和省部級平臺，承擔(dān)了國家自然基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃及國防重點項目等。
團(tuán)隊現(xiàn)有中國工程院院士1人，國家級領(lǐng)軍人才2人，國家級青年人才2人，骨干教師及科研人員19人，在讀研究生80人。專注于高能量密度、高安全、長循環(huán)壽命的新體系電池研究；聚焦多電子高比能新型二次電池及關(guān)鍵材料，離子液體及新型功能復(fù)合電解質(zhì)材料、特種功能電源及異構(gòu)納米材料，綠色二次電池設(shè)計與資源化利用等前沿技術(shù)研究。
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