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，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會與南方科技大學碳中和能源研究院聯(lián)合主辦，100余家機構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及工程應用大會與新型儲能技術青年科學家論壇在深圳召開。此次大會主題是“開拓新質生產(chǎn)力，推動儲能產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展”。
在新型儲能技術青年科學家論壇上，北京理工大學珠海材料與環(huán)境學院副院長詹世景做了題為《先進電化學儲能體系及關鍵材料研究》的主題演講。
北京理工大學珠海材料與環(huán)境學院副院長詹世景
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)展指導目錄》提出了儲能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃，此后“碳中和、碳達峰”和“二十大”都提出深入推進能源革命，加快規(guī)劃建設新型能源體系，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，全國電力裝機總量29.2億千瓦，同比增長13.9%。全國可再生能源總裝機突破了14.5億千瓦，占總裝機容量的50%。其中風電4.4億千瓦，同比增長20%，太陽能同比增長55.2%。
我國能源結構占比已經(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)電總量達到了16.53億千瓦，同比增長25%，占我國發(fā)電總裝機量的53.8%。太陽能發(fā)電7.14億千瓦，同比增長51.6%，風電裝機4.67億千瓦，同比增長19.9%，風光兩項加起來已經(jīng)超過了煤電的裝機總量。由于風光發(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。
目前的儲能技術按照儲存方式和介質的不同分為物理、電化學、電磁、熱儲能和化學儲能等。物理儲能主要是以抽水蓄能為主，相對來說技術成熟、建設成本比較低，轉化效率達70%-85%，但條件比較苛刻，建設周期比較長。電化學儲能主要以鋰電池、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”的裝機規(guī)模，鋰電占比很高，達97.4%，處于絕對的主導。2023年的增量已經(jīng)超過之前總量的2倍，預計到2025年底，儲能累計裝機量將超過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%。
對比電化學儲能的指標，現(xiàn)在大規(guī)模應用階段的技術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)電解質還處在技術研發(fā)為主的階段。
大規(guī)模儲能在能源互聯(lián)，與太陽能、風能、海洋能等能源配合方面都具有很大的應用場景，在新能源交通、5G通信、航空航天等領域也有各種各樣的應用場景。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，需要在機制和關鍵材料上進行持續(xù)創(chuàng)新。
二、研究進展
我們組圍繞電化學儲能體系及材料研究方面做了大量工作。
1.多電子反應的機制研究
我們把元素周期表的元素按正負極進行匹配，建立了一系列電池反應體系。按熱力學特性可分為七個體系，針對不同反應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的模式進行了一系列的研究。這是熱力學整體的通式。載流子價態(tài)，載流子個數(shù)以及陰陽離子價態(tài)變化是熱力學的關鍵因素，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進行優(yōu)化，典型的動力學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。我們對應這些過程，進行了動力學計算。
總體來看，多電子的反應機制和這四大類型有關。載流子的類型決定了轉移的電子數(shù)，并影響了存儲過程的動力學；主體材料類型決定了反應的類型，是影響動力學過程的關鍵因素；電解質的類型影響界面的穩(wěn)定性和動力學性能；相互作用類型決定了反應類型，化學鍵是影響動力學的直接因素。
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構調(diào)控，對普魯士藍類似物進行了系列研究。針對富鈉結構普魯士藍在儲鈉中晶格畸變、缺陷且界面不穩(wěn)等性等技術難點，通過結構設計調(diào)控、金屬摻雜、精準離子交換等方法設計研制新結構組成。
鈉離子電池負極材料：通過引入電化學惰性Ti元素，構建納米片堆疊的中空花狀結構；設計陽離子缺陷的金屬硒化物材料，構建了納米片陣列結構；通過低溫環(huán)境合成羥基化合物用于儲鈉。特殊結構負極改善了結構穩(wěn)定性，抑制了體積膨脹，提高了電子的電導率，提升了循環(huán)性。特別要提一下的是：羥基化合物負極與普魯士藍體系具有很好的匹配度。
我們也關注鈉離子電池電解質的設計與開發(fā)，重點討論了不同鈉離子電池電極材料體系與電解質之間的匹配關系。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鍵。無機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：我們對電解液進行了一個系列的研究，離子液體化學將在開發(fā)新型高離子電導率離子凝膠膜電解質中發(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（化學）產(chǎn)生的主客體相互作用也為改善離子導電性提供了無限的機會。與純液體相比，凝膠狀物質具有強大的機械強度和形狀靈活性。形狀靈活性甚至可以賦予電解質自愈能力，這在柔性電子設備的電池應用中尤其有價值和可取。
近年來，團隊通過在電解質側不斷深入挖掘，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合的高安全/寬溫帶特性的液態(tài)功能電解質，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 新型有機物復合正極，得益于多活性儲鋅位點和聚合物的協(xié)同儲能機制，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，有效誘導金屬鋅沉積在(002)晶面，提出了三維調(diào)控鋅金屬負極的增長和副反應的設計方案，突破了低濃電解液中保護膜的技術難點，實現(xiàn)了性能的穩(wěn)定提升。
4.鋰硫電池材料
針對硫電極導電性差，比容量難以發(fā)揮的難題，設計了三維多孔層狀結構的碳/硫復合材料和核殼結構的導電聚合物/硫復合材料，構筑了三維導電網(wǎng)絡和Li+擴散的多孔通道，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和循環(huán)穩(wěn)定性差的難題，我們設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，設計分步涂覆法構筑厚硫正極，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筑微米級的超結構高載硫正極，硫載量高達8.9mg/cm2，單位面積容量達到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異質結構及0D-2D異質結構電催化劑。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，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，可以對電池材料進行形貌、結構、組成、力學等方面進行全方位的分析，實現(xiàn)了綠色電池關鍵材料和新型電池體系的構筑，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)化設計，先后在多個方面開展了應用。
三、未來展望
全球儲能裝機規(guī)模：預計2025年全球儲能規(guī)模應該有488GWh。在中國高復合年均增長率非常高，未來幾年應該有110%，新增裝機量中，以政策推動的發(fā)電側(新能源)占比最大。美國高復合年均增長率大于90%，歐盟復合增長率35%。
應用場景分析：預計到2025年大型儲能復合增長率113%，工商儲能應該在95%，戶用儲能在87%，這幾年在儲能領域應該會有很大的發(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，預計到2025年，將累計實現(xiàn)54GW。
北京理工大學先進能源材料與智能電池創(chuàng)新團隊依托“北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心”、“環(huán)境科學與工程北京市重點實驗室”等國家級和省部級平臺，承擔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。
團隊現(xiàn)有中國工程院院士1人，國家級領軍人才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鍵材料，離子液體及新型功能復合電解質材料、特種功能電源及異構納米材料，綠色二次電池設計與資源化利用等前沿技術研究。
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