低速電動車及新能源電網的迅速發展加大了對低成本新型電池的需求, 目前鉛酸電池以其成熟的技術及低廉的價格佔據了低速電動車動力電源, 燃油車啟動電源的絕大部分市場份額. 但廢舊鉛酸電池給環境帶來巨大的汙染隱患, 我國已明確制定了逐步替代鉛酸蓄電池的政策. 然而, 由於商品鋰離子電池的較高成本, 造成其在低成本電池領域的發展受限. 因此, 建立低成本, 高效能的電池體系是加速無鉛化步伐的關鍵. 動力電池處在發展的黃金階段, 提前進行新型低成本高性能電池體系的布局, 搶奪基礎研究及產業化技術的制高點是我國在未來幾十年能源爭奪戰中保持領先的關鍵. 基於前期在高能量密度固態鋰電池中取得的進展, 依託中國科學院青島生物能源與過程研究所建設的青島儲能技術研究院, 以新型電池關鍵材料的創新性設計及工藝優化方面為切入點, 多年來進行深入系統的應用基礎研究, 最近已取得階段性進展.
在中國工程院院士陳立泉的指導下, 青島儲能院首次發現超高濃度有機金屬鹽基電解液可有效改善鋅電池充電效率低和迴圈壽命差的弊端, 據此開發出了長迴圈壽命, 高能量密度新型鋅二次電池 (Electrochem. Commun., 2016, 69, 6) . 同時, 創新性地通過多價骨架電極新結構的設計, 將鋅電池器件的有效充電大大縮短 (ACS Appl. Mater. Interface, 2015, 7, 26396) . 電極-電解液的兩相界面相容性一直以來是鋅二次電池的應用和基礎研究的難點, 青島儲能院首次利用熱可逆凝聚合物突破了該技術瓶頸, 並創新性地提出了 '低溫自修複' 的理念, 解決了電池界面的失效問題 (Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 7871) .
基於前期的應用基礎研究和技術開發, 青島儲能院已經突破鋅電池整合和中試裝備方面的技術瓶頸, 成功開發出大容量, 低成本的新型鋅二次電池, 器件能量密度﹥ 40 Wh/kg, 迴圈壽命﹥ 500次, 成本< 0.7 元/Wh, 并通过国标要求的穿钉及挤压等苛刻实验. 实验数据表明性能优异的新型锌电池有望应用于低速电动车动力电源, 规模储能及柔性储能器件特种领域.
鎂二次電池是低成本電池無鉛化的另一重要解決方案. 青島擁有豐富的鎂資源優勢, 具有發展鎂電池得天獨厚的優勢. 然而, 鎂二次電池目前的瓶頸問題在於缺乏穩定, 無腐蝕性, 寬電位窗口電解液體系. 青島儲能院創新性提出了硼基大陰離子鎂基電解質的設計理念, 並以此為指導合成了具有高離子電導率, 非親核性, 寬電化學窗口等優異性能的鎂系電解質體系, 構建了高能量密度鎂電池體系 (Adv. Energy Mater., 2017, 1602055; Small 2017, 1702277; Electrochem. Commun., 2017, 83, 72; J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 2277) . 在電化學機理方面, 揭示了鎂基電極材料形成能變化以及晶體結構演變, 為深入理解鎂二次電池快速動力學轉化的具體反應路徑與機制奠定了基礎 (Adv. Funct. Mater., 2017, 10.1002/adfm.201701718) . 該新型鎂二次電池設計理念為未來低成本電池的發展提供了新思路和方向.
新型鋅, 鎂二次電池的前瞻性技術研究勢必加速推動低速電動車及低成本電池相關領域綠色無鉛化的進程, 為山東乃至我國工業綠色發展做出重要技術貢獻.
上述研究項目得到國家傑出青年基金, 青島市儲能基金和青島能源所 '一三五' 項目的大力支援.
