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       鋰電池的安全問題一直未被有效解決。

　　金屬鋰在充放電過程中容易產(chǎn)生鋰枝晶，堅硬的鋰枝晶會刺穿隔膜引起短路和著火，所以科學(xué)家選用石墨替代金屬鋰作為負(fù)極材料。充放電過程中，鋰離子隨著電解液在正負(fù)極間往返運動。

　　但是這依舊無法杜絕鋰枝晶的形成，當(dāng)正負(fù)極材料中嵌入的鋰超過了承載范圍，依舊會產(chǎn)生鋰枝晶，帶來安全隱患。此外，有機電解液在高溫下會燃燒，也會帶來爆炸風(fēng)險。

　　而鋰電池作為新能源的重要載體，無論在出行，還是儲能方面，都被寄予厚望。電網(wǎng)儲能技術(shù)就是通過建立規(guī)模化儲能電站，在用電低峰期將風(fēng)能太陽能等能源存儲起來，在用電高峰期再放電，緩解高峰期的用電壓力。

　　鋰電池儲能電站是目前的主流方案之一，以磷酸鐵鋰電池為主的鋰離子電池建設(shè)的儲能電站，已經(jīng)在浙江、湖南、江蘇等省份建立。比起電動汽車，大規(guī)模推進(jìn)鋰電池電網(wǎng)儲能技術(shù)，在安全上要求更為嚴(yán)格。

　　“電網(wǎng)儲能相當(dāng)于上萬個電池在一起，規(guī)模比電動汽車大得多，如果出了安全性問題的話，是非常致命的，影響的范圍也會非常的大，并且影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定性。所以說它的安全性要求更嚴(yán)格。” 鄭州大學(xué)副教授金陽告訴《麻省理工科技評論》中國。

　　最近，他憑借發(fā)明的新型固態(tài)電解質(zhì)熔融鋰金屬電池體系，入選《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”。

　　這種全新的鋰電池體系，采用固態(tài)電解質(zhì)，以熔融金屬鋰作為負(fù)極材料，兼具高能量密度、低成本、高安全性的特點，是未來鋰電儲能的理想方案。

　　圖 | 《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”2020 年中國區(qū)榜單入選者金陽

   以高導(dǎo)鋰陶瓷管作為電解質(zhì)的新型電池體系

　　金陽的本科專業(yè)是電氣工程，在碩博連讀期間，他前往美國麻省理工學(xué)院，跟隨李巨教授做研究期間開始接觸電池的研究。隨后，他又前往斯坦福大學(xué)，跟材料學(xué)頂級學(xué)者崔屹繼續(xù)研究鋰電池。新的鋰電池體系就是在崔屹老師的指導(dǎo)下開始的。

　　其中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)是一個 U 型的陶瓷管，由它來負(fù)責(zé)傳導(dǎo)鋰離子，同時又阻止聚硫化物或聚硒化物的穿梭效應(yīng)。這個結(jié)構(gòu)需要燒結(jié)來實現(xiàn)，金陽從美國崔屹老師的實驗室做到清華大學(xué)陶瓷國家重點實驗室。

　　這是因為 U 型管底部的曲面結(jié)構(gòu)成型條件復(fù)雜，在崔屹老師的實驗室中，金陽嘗試了半年都沒有成功。交流期滿，他想繼續(xù)把研究做下去，聯(lián)系到在清華大學(xué)陶瓷國家重點實驗室的伍暉副教授，繼續(xù)在清華訪學(xué)了一年。

　　以這種陶瓷管作為電解質(zhì)的新型電池體系的結(jié)構(gòu)簡單，U 型陶瓷管作為電解質(zhì)，負(fù)責(zé)傳導(dǎo)鋰離子，在 U 型管內(nèi)外分別裝載正負(fù)極材料。電池的負(fù)極采用熔融的金屬鋰，正極采用熔融合金。液 - 固 - 液的結(jié)構(gòu)設(shè)計讓正負(fù)極液體與電解質(zhì)之間充分接觸，在充放電過程中可以實現(xiàn)鋰離子的快速運輸。電池工作過程中，正負(fù)極材料都是熔融的金屬，高于鋰本身的熔點，鋰晶枝無法產(chǎn)生并且存在，這就杜絕了鋰晶枝帶來的安全隱患。并且，固態(tài)電解質(zhì)即使在高溫情況下也不會燃燒，電池也因此更安全。

　　圖 | 新型電池結(jié)構(gòu)（來源：Nature Energy ）

　　這種新型的電池的電流密度高達(dá) 500mA/cm2（175mW/cm2），庫倫效率平均可達(dá)到 99.98%。此外，這種電池的工作溫度也大大降低。與自 1960 年代以來報道的其它液態(tài)鋰金屬電池相比，工作溫度從 450°C 降至 240°C。這一工作溫度下可以使用聚合物材料進(jìn)行密封和絕緣，降低了電池的生產(chǎn)成本。

　　金陽介紹，如果電池在 500 度左右工作，需要通過陶瓷焊接進(jìn)行密封，成本較高。而在 200 多度的條件下，可以使用硅膠進(jìn)行密封，這就降低了電池的成本。

　　陶瓷電解質(zhì)耐高溫的特性也為電網(wǎng)儲能的情景下提供了更多的安全保障。“無論電池體系做多大，運行功率多高，即使瞬間溫度提高到四五百度，也沒有任何問題，因為陶瓷是在一千多度的環(huán)境中燒結(jié)出來的。此外，如果運行溫度突然下降，電池也會完全停止運行，重新恢復(fù)到原來的運行溫度后，電池可以續(xù)接啟動。”

　　在入職鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院之后，金陽在院領(lǐng)導(dǎo)的支持下成立“鄭州大學(xué)電網(wǎng)儲能與電池應(yīng)用研究中心”，并擔(dān)任研究中心負(fù)責(zé)人，將這一電池體系的研究繼續(xù)推進(jìn)。

　　基于原有的固態(tài)陶瓷電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，開發(fā)了液態(tài)鋰硫和鋰硒電池，能量密度可以超過 500wh/kg 和 1000wh/L，并且將能量成本降低到 $20/kWh。電池還具有高功率特性和大于 1000 次的長循環(huán)壽命，以該電池作為動力的電動汽車可以實現(xiàn) 6 分鐘內(nèi)快速充滿電。

   持續(xù)推進(jìn)電網(wǎng)儲能領(lǐng)域研究：提取高純度鋰金屬，探測微量鋰枝晶

　　金陽在鄭州大學(xué)擔(dān)任電網(wǎng)儲能研究團隊負(fù)責(zé)人，開發(fā)了新的鋰電池體系后，他從現(xiàn)實需求出發(fā)，持續(xù)進(jìn)行研究。

　　從生產(chǎn)成本的角度考慮，儲能電網(wǎng)的規(guī)模大，與光伏、太陽能等發(fā)電技術(shù)配合使用，降低成本的需求更迫切。

　　金陽告訴《麻省理工科技評論》中國，“像光伏風(fēng)能它本身的成本已經(jīng)很低了，如果說我們儲能的成本降不下來的話，其實是無法與新能源相配合的，也不好去建儲能電站。”

　　2016 年的《中國鋰礦調(diào)查報告》顯示，中國有豐富的鹽湖鋰礦，占到全國鋰資源的 70% 以上。要利用好這些鋰礦，可持續(xù)性地生產(chǎn)高純度鋰非常重要。

　　新電池體系中的陶瓷固體電解質(zhì)具有高鋰離子選擇性。金陽利用這一特性，開發(fā)了一種從低純度氯化鋰直接提取高純度鋰金屬的方法。利用固體電解質(zhì)對于鋰離子的單一選擇性，可以篩除鉀、鈉等其他的金屬，提取出來的金屬鋰純度大于 99.7%，并且將生產(chǎn)成本降低為當(dāng)前國際鋰金屬價格的 20％以下。

　　下一步，金陽計劃將新型鋰電池體系進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，首先是將單體電池盡量做大，從而減少電池系統(tǒng)管理的復(fù)雜度。金陽表示，希望能將單體電池做到實驗室原型的十倍、甚至百倍大。在單體電池基礎(chǔ)上，完成 100Kw 的固態(tài)電解質(zhì)熔融鋰金屬電池模組中試，之后再建立 2MW 的儲能示范電站。

　　不過在新型的電池體系落地產(chǎn)業(yè)之前，眼下的儲能電網(wǎng)主要采用有機電解液磷酸鐵鋰電池，更緊迫的是需要解決安全隱患，也就是充放電過程中鋰枝晶析出帶來的火災(zāi)爆炸風(fēng)險。

　　金陽與國家電網(wǎng)江蘇省電力公司合作進(jìn)行研究，開發(fā)出一種基于氫氣探測的微量鋰枝晶析出靈敏檢測方法。

　　實驗發(fā)現(xiàn)，微量鋰枝晶析出的時候，會和石墨負(fù)極聚合物粘結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生氫氣并溢出電池。氫氣在空氣中不存在，而目前商用的氫氣探測器的靈敏度能夠達(dá)到 1ppm。在電池溫度沒有異常時，微米級的鋰枝晶（質(zhì)量約 0.00028 毫克，半徑約 50 微米）的析出也會觸發(fā)氫氣探測器報警。用這種將方法提供早期信號，預(yù)警時間比熱失控提前 10 分鐘以上。這種方法可以提供儲能系統(tǒng)整體早期安全預(yù)警、消除熱失控事故發(fā)生。

　　圖 | 利用氫氣探測微量鋰枝晶析出（來源：Joule ）

　　江蘇省 954.6MW 的儲能電站已經(jīng)安裝了氫氣探測器，金陽團隊還參與修訂了鋰離子電池儲能電站的消防安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定新建設(shè)的儲能電站必須配備氫氣探測器以確保安全。

　　如今身為老師，金陽也在將從李巨、崔屹兩位老師身上學(xué)習(xí)到的科研態(tài)度傳給學(xué)生。

　　他從兩位老師身上體會最深的就是能夠去想別人沒有做過的東西，嘗試革命性的研究。兩位老師都堅信，做研究就是要改變世界，他也在向這個方向努力。作為一位青年科學(xué)家，做出研究貢獻(xiàn)的同時能夠培養(yǎng)學(xué)生，兩者都讓他體會到滿足。

　　金陽回憶跟隨李巨老師做實驗時的嚴(yán)格要求。老師會要求他把實驗的每一個細(xì)節(jié)每一個內(nèi)涵都搞清楚，非常難實現(xiàn)的驗證也會嘗試去做。這樣最終成果的質(zhì)量就會非常高。跟隨崔老師做研究時，開組會進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，大家一起討論各種想法，雖然很多想法最終會被否定，但是這個過程鍛煉了思維能力。

　　“我現(xiàn)在也會去想，哪些東西別人壓根都不會去想，也不會去做，但是這個東西確實有用。這也是一個思維的和創(chuàng)新的能力，我覺得這個很重要。”