中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，海南省在新型儲(chǔ)能前沿技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。海南大學(xué)海洋清潔能源創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)國(guó)際青年學(xué)者，成功破解了長(zhǎng)期制約高能量密度水系電池發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸，為自貿(mào)港海洋新能源發(fā)展注入“安全芯”。
該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出一種電解液設(shè)計(jì)新策略，僅需加入極少量（5%）的特定添加劑，便成功“解鎖”了水系鋅碘電池的四電子反應(yīng)，使其理論能量密度翻倍，且在極高倍率下依然性能優(yōu)異，循環(huán)穩(wěn)定性高達(dá)4000次。這一成果為開(kāi)發(fā)兼具高安全、低成本、長(zhǎng)壽命、高能量密度的新一代儲(chǔ)能技術(shù)提供了全新的“海南方案”，尤其契合我省海上風(fēng)電、光伏等大規(guī)模海洋新能源的并網(wǎng)儲(chǔ)能需求。該成果已于近日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)化學(xué)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上。
氯乙腈添加劑的鹵鍵反演與分子非同頻振動(dòng)作用機(jī)制示意圖。
Part 01
世界性難題：能量與安全的“兩難選擇”
在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，發(fā)展大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，是解決風(fēng)、光等新能源“靠天吃飯”間歇性問(wèn)題的關(guān)鍵。然而，當(dāng)前主流的鋰電池技術(shù)，雖能量密度高，但其有機(jī)電解液存在易燃風(fēng)險(xiǎn)，且成本高昂，在大規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景下始終面臨安全與成本的“兩難選擇”。
水系電池，因其用水作為電解液，本質(zhì)上安全、環(huán)保且成本低廉，被視為大規(guī)模儲(chǔ)能的理想選擇。但其“能量密度偏低”的固有短板，長(zhǎng)期限制了其商業(yè)化進(jìn)程。
“問(wèn)題的核心在于如何讓電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)更徹底，讓每一個(gè)離子貢獻(xiàn)出更多的能量?！闭撐耐ㄓ嵶髡咛镄慢埥淌诮忉尩?，“在鋅碘電池中，如果能讓碘離子實(shí)現(xiàn)從-1價(jià)到+1價(jià)的四電子轉(zhuǎn)移，能量密度就能直接翻倍。但挑戰(zhàn)在于，+1價(jià)的碘離子在水環(huán)境中極不穩(wěn)定，如同暴露在空氣中的冰塊，會(huì)瞬間水解失效?！?/span>
Part 02
“分子保鏢”的誕生：海南方案的巧思
傳統(tǒng)的解決方案是在電解液中加入海量鹽分（即“鹽包水”），通過(guò)減少自由水來(lái)保護(hù)+1價(jià)碘離子。這種方法如同用海水解渴，雖暫時(shí)有效，卻以犧牲水系電池低成本、高效率的本征優(yōu)勢(shì)為代價(jià)。
海南大學(xué)海洋清潔能源創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出“靶向保護(hù)”的精妙思路。在省科技廳“省級(jí)外國(guó)專家項(xiàng)目”的支持下，他們與新加坡國(guó)立大學(xué)計(jì)算化學(xué)青年學(xué)者單路通博士合作，單路通博士幫助團(tuán)隊(duì)在含特定官能團(tuán)的百余種分子結(jié)構(gòu)中進(jìn)行快速篩分，基于量子力學(xué)與量子化學(xué)預(yù)測(cè)其復(fù)雜的電子流動(dòng)，將研發(fā)周期從數(shù)年縮短至數(shù)月，最終鎖定了一種名為氯乙腈（CIAN）的有機(jī)小分子，將其作為電解液添加劑。
這個(gè)小分子如同一位“分子保鏢”，具備兩大“獨(dú)門絕技”。一是精準(zhǔn)識(shí)別與鎖定。通過(guò)“鹵鍵反演”的特殊化學(xué)作用，它能精準(zhǔn)地找到并“抓住”珍貴但脆弱的+1價(jià)碘離子，形成穩(wěn)定的可逆路徑。二是高速穿梭與巡航。由于其獨(dú)特的分子振動(dòng)頻率與水分子不同，它不會(huì)被大量的水分子“糾纏”，能夠在電解液中“高速穿梭”，及時(shí)趕到需要保護(hù)的碘離子身邊。
最終，僅需添加5%的“分子保鏢”，就在常規(guī)的低濃度電解液中，實(shí)現(xiàn)了+1價(jià)碘離子的高度可逆反應(yīng)。測(cè)試結(jié)果顯示，該電池在2安培/克的電流密度下，穩(wěn)定循環(huán)4000次后，容量保持率依然出色，在50安培/克的極端充放電條件下，其比容量是傳統(tǒng)方案的兩倍以上。
論文的第一作者、海南大學(xué)博士生邱超表示：“能夠站在國(guó)際科研的前沿，與世界頂尖的學(xué)者一起攻克難題，這在以前是難以想象的。自貿(mào)港和學(xué)校為我們年輕人提供了最好的舞臺(tái)?！?/span>
Part 03
產(chǎn)業(yè)未來(lái)：從實(shí)驗(yàn)室到藍(lán)色海疆
“這項(xiàng)成果的價(jià)值，不僅在于一篇高水平論文，更在于它為海南的未來(lái)產(chǎn)業(yè)打開(kāi)了想象空間?！笔】萍紡d相關(guān)處室負(fù)責(zé)人表示。
當(dāng)前，海南正大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，布局海上風(fēng)電、海上光伏等千億級(jí)產(chǎn)業(yè)集群。這些漂浮在海上的“綠色電廠”，迫切需要安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)“壓艙穩(wěn)舵”。海南大學(xué)的這項(xiàng)技術(shù)以其“高安全、低成本”的特性，完美契合了海上平臺(tái)的嚴(yán)苛要求，有望成為保障我省海洋新能源產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的“安全芯”和“成本控制器”。
一位長(zhǎng)期關(guān)注我省海洋新能源產(chǎn)業(yè)的專家表示，這項(xiàng)技術(shù)一旦成熟，有望將海上儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合度電成本降低20%以上，并從根本上解決了海上平臺(tái)運(yùn)維的消防安全痛點(diǎn)。
