作者 |韓揚眉
隨著電力交通市場的迅猛發展以及各種電子設備的層出不窮，對安全電池的需求愈發迫切。尋找下一代電池，成為學術界和產業界共同關注的焦點。
日前，韓國科學技術研究院（KIST）儲能研究中心宣布開發出下一代二次電池，這種電池使用金屬鋅作為負極和水系電解液，沒有任何爆炸或起火危險。
鋅是一種儲量豐富、安全且可回收的金屬。以金屬鋅作為電極、使用中性或微酸性水系電解液體系的鋅電池，具有高安全性、低成本等優勢，被認為是下一代具有產業化前景的儲能技術之一。
推陳出「鋅」
在日益嚴重的環境汙染和能源危機背景下，探索清潔、可再生的儲能技術，對人類社會可持續發展十分重要。
過去的數十年裡，鋰離子電池因其具有較高的能量密度、良好的循環穩定性和較低的自放電等特點，成為電池技術研究和產業應用的「寵兒」。然而，隨著鋰離子電池的應用普及，儲量有限的鋰資源、嚴重的安全隱患及成本高等問題，限制了鋰離子電池在儲能領域的大規模應用。
近年來，鋅電池受到越來越廣泛的關注。復旦大學教授王永剛告訴《中國科學報》，鋅電池採用具有高容量、環境友好、成本低廉等優勢的鋅金屬作為負極。「類比鋰離子電池與鋰電池的分類名稱，該類電池名稱應為鋅電池。」
「相較於鋰離子電池通過一價鋰離子的輸運實現能量存儲，鋅電池是通過二價鋅離子進行能量存儲，實現了兩電子轉移，具有更高的存儲容量和安全性。」中南大學材料科學與工程學院特聘教授周江告訴《中國科學報》。
與鋰離子電池相比，鋅電池最被人看好的特點便是安全。
新加坡南洋理工大學教授範紅金介紹，與基於易燃、有毒的有機電解液的電池相比，目前鋅電池均為水系，即電解液是水，安全性更高。同時，成本更低、對環境更友好。
周江說，鋅電池優勢比較明顯，比如電解液採用高純水加入合適的鋅鹽等添加劑調配，正負極材料不含鋰、鈷等稀缺金屬。另外，該電池更易組裝，且組裝完全可以在空氣中進行，不需要嚴格、苛刻的惰性氣體保護等條件。
過去，鋅電池是一次性電池，即不可充電電池，比如傳統鹼性Zn-MnO2電池等。「下一代鋅電池的目標是，將其發展為二次電池，即能夠充放循環的電池。」王永剛說。
革故鼎「鋅」
鋅電池優勢突出，但在正負極材料、電解液等方面仍存在著諸多亟待攻克的技術瓶頸和難題。
正負電極材料的溶解和腐蝕問題就是難點之一。在周江看來，保證負極材料具有長期穩定性，包括擱置穩定和電化學反應穩定，是鋅電池發展的主要瓶頸。他認為，「技術難點在核心材料的發展，要重點突破材料的創新。」
王永剛也認為，鋅電池最主要的技術瓶頸在於正負極材料，比如，負極金屬鋅遇水發生反應，會被腐蝕；此外，金屬鋅的利用率低，尚不足0.6%；在正極材料中，由於二價鋅離子電荷密度大，充放電過程中易發生粉化、結構坍塌的問題。
「目前大家關注的重點在於優化改進正負極的電極材料和電解液，它影響著整個電池的穩定性和循環壽命。」王永剛說。
關於電解液的問題，範紅金告訴《中國科學報》，水系電解液的電壓窗口太窄，使得水系鋅電池的穩定電壓比有機電解液低，一般在2伏以下，這嚴重限制了該電池體系的能量密度，而鋰離子電池則在3~4伏之間，能量密度較高。
「為了避免水在高電壓下的分解產氣問題，大家正在尋求各種途徑，比如電解液添加劑、優化電解質、提高正負極材料對水分解反應的勢壘、新的反應機理等等。這方面阿德萊德大學開發的鋅—錳電解槽電池提供了一個全新的思路，最近兩年在電壓上取得了長足的進步。」範紅金說。
此外，範紅金還提到鋅金屬負極存在的鋅枝晶問題。事實上，枝晶是電池諸多問題的「禍根」，鋅枝晶會降低電池循環性能，縮短使用壽命、穿透隔膜，也是電池短路、爆炸等安全問題的重要因素之一。
當下，由於需求驅動，國內外均在鋅電池研究和應用方面有所布局，研究深度和廣度不斷延伸。在專家們看來，隨著我國國家政策的支持、越來越多研究力量的投入，中國鋅電池發展勢頭愈發迅猛，將在國際舞臺上佔有一席之地。
「當前我國鋅電池的發展與世界在同一起跑線上。」周江表示，從剛開始主要集中在正極材料開發和探索、機理分析、容量衰減機制研究，到目前集中在電解質（液）以及鋅負極材料的開發和優化研究，隨之而來的是各種鋅基柔性、可穿戴式等器件的相關報導。
「下一步，亟須開發高可逆金屬鋅負極，研發高穩定性和高離子導通性的電解質材料。而在鋅電池基礎上構建全新的體系尤為重要，比如鋅基液硫電池、無金屬鋅負極的鋅離子電池、鋅空氣電池等。」周江說。
「鋅」新向榮
鋅電池未來的市場在哪裡？下一代鋅電池又將如何發展？
範紅金表示，鋅電池的市場主要有兩類，一是諸如電動汽車電池等消費類電池，二是收集風能、太陽能等的大規模靜態儲能電池系統。而在電壓窗口尚未突破的情況下，後者是短期內更具前景的應用場景。
「未來，還應在提高工作電壓窗口、材料穩定性，以及深入了解儲能和反應機理等問題上繼續發力。」範紅金說。
王永剛認為，未來，鋅電池的發展路線有3種。一是從含水的電解液向添加有機溶劑的電解液過渡，以此避免鋅腐蝕問題；二是電解液從固定向循環流動過渡，比如走液流電池路線等；三是電極材料採用有機加無機的複合材料，充分利用有機物的穩定性和無機物導電性強的優點。
水是流動的，也是柔軟的，基於此，科學家們還看到了水系鋅電池在柔性電子器件的光明前景。
隨著柔性顯示設備、健康監護儀、電子傳感器和電子皮膚等可穿戴式/可植入電子器件等的不斷開發，水系鋅電池作為高安全性、可彎曲、電化學性能優異的儲能體系將成為未來研究的重要方向之一。
前不久，鋅電池的產業化應用邁向了新臺階。中國科學院大連化學物理研究所研究員李先鋒和張華民領導的科研團隊自主開發的10千瓦級鹼性鋅鐵液流電池儲能示範系統投入運行。
經現場測試，該示範系統在額定10千瓦功率下運行時的能量效率為78.7%。該鹼性鋅鐵液流電池示範系統的成功運行，為今後工程化和產業化開發奠定了基礎。
「從當前趨勢來看，鋅電池產業前景比較好，但亟須解決金屬鋅負極應用問題，提高穩定性和可逆性，確保金屬鋅電極的反應效率高達99%，抑制析氫和腐蝕。同時，協同電解液（質）的革新和優化，推動該電池體系的實際應用。」周江說，現在越來越多的課題組投入到鋅電池的研究事業中，他希望企業也能夠積極加入，早日布局和儲備新型規模儲能技術。
「當然，發展並不是孤立的，在鋅電池研究過程中也會觸及到其他水系離子電池的發展，希望在我們的共同努力下，把綠色、環保、健康的電池體系帶給社會。」 周江補充道。
《中國科學報》 （2020-09-23 第3版 能源化工 原題為《下一代電池「鋅」然而至》）
編輯 | 趙路
排版 | 志海
方法如下
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