近年來，隨著全球能源需求的持續(xù)攀升，能源結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，為滿足當(dāng)下各種不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，科研機(jī)構(gòu)越發(fā)關(guān)注新型電池的研發(fā)與探究，新型電池技術(shù)百花齊放。今天我們來盤點(diǎn)幾款近期在科研上取得新進(jìn)展的新型電池。

1.鈣-氧電池

近日，復(fù)旦大學(xué)科研人員創(chuàng)建出一種新型鈣-氧氣電池，可在室溫條件下充放電，穩(wěn)定運(yùn)行700次循環(huán)，展現(xiàn)出高安全性、較低成本等優(yōu)勢(shì)，并為可穿戴電池織物的發(fā)展提供了新思路。2月7日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然》。

鈣金屬具有低氧化還原電位和多價(jià)性等特性，結(jié)合我國(guó)豐富的鈣資源，基于金屬鈣的電池體系在未來的能源應(yīng)用中具有廣闊前景。

然而，鈣金屬負(fù)極具有高電化學(xué)活性，容易導(dǎo)致電解液被還原分解并在電極表面形成鈍化層，使得鈣金屬負(fù)極失效；空氣正極具有高電極電勢(shì)，容易導(dǎo)致電解液氧化分解，正極電化學(xué)性能迅速衰退。目前仍難以找到一種能與鈣金屬負(fù)極相匹配，且能適應(yīng)高電極電勢(shì)空氣正極的電解質(zhì)，嚴(yán)重制約了鈣-氧氣電池的發(fā)展。

鈣-氧氣電池結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源：復(fù)旦大學(xué)）

為了解決這一挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)溶劑、電解質(zhì)鹽以及電解質(zhì)配比，成功制備出一種基于二甲基亞砜/離子液體的新型電解質(zhì)，有效滿足了電池正負(fù)極的高要求，構(gòu)建了可室溫工作的新型鈣-氧氣電池。

該研究發(fā)展出的鈣-氧氣電池主要由三個(gè)部分構(gòu)成：金屬鈣負(fù)極、碳納米管空氣正極和有機(jī)電解質(zhì)。

該電池設(shè)計(jì)不僅優(yōu)化了性能和成本，也兼顧了環(huán)境的可持續(xù)性與在柔性電子設(shè)備中的應(yīng)用要求。其中，金屬鈣負(fù)極不僅成本較低，還具有較高的理論容量，有利于全電池實(shí)現(xiàn)較高的能量密度。同時(shí)，可進(jìn)一步將金屬鈣負(fù)載到柔性基底上，得到柔性的金屬鈣負(fù)極，為實(shí)現(xiàn)柔性鈣-氧氣電池奠定基礎(chǔ)；電解質(zhì)采用基于二甲基亞砜/離子液體體系，這種電解質(zhì)在室溫下不僅表現(xiàn)出了高離子導(dǎo)率，還展示了穩(wěn)定的電化學(xué)特性，顯著提升了電池的整體安全性；正極材料則采用了較為環(huán)保的碳材料，不含昂貴的貴金屬催化劑，并利用空氣中的氧氣作為反應(yīng)物，有助于降低電池的制造成本。

2.水性鋅離子電池

水系鋅離子電池具有安全性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。然而，電解液中的水在鋅離子電池中就像一把雙刃劍，得益于采用水溶劑，鋅離子電池不僅安全，還具有高離子電導(dǎo)率，保證電池具有出色的快速充放電能力。此外，電解液中水的存在有助于提供質(zhì)子以插入正極材料，從而提高容量。但是，過量的水會(huì)導(dǎo)致負(fù)極的腐蝕、鋅枝晶形成以及正極材料的溶解問題，從而影響了鋅離子電池的長(zhǎng)期循環(huán)性能。因此，為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)鋅離子電池的高容量和長(zhǎng)壽命，必須精確控制水含量。

圖片來源：中國(guó)科學(xué)院大連化物所

據(jù)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》1月25日消息，近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員楊維慎、朱凱月團(tuán)隊(duì)在鋅離子電池電解液研究方面取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)揭示了電解液中水含量對(duì)正負(fù)極界面動(dòng)力學(xué)和可逆性的影響，發(fā)現(xiàn)通過適當(dāng)調(diào)控電解液中的水含量，就可以打破鋅離子電池中高容量和長(zhǎng)壽命難以兼得的限制，使二者同時(shí)實(shí)現(xiàn)。相關(guān)成果發(fā)表于《化學(xué)科學(xué)》。

在研究工作中，科研團(tuán)隊(duì)選擇乙腈作為有機(jī)溶劑代表，探究了電解液中不同水含量對(duì)正負(fù)極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性的影響，并找出對(duì)全電池容量和壽命的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，電解液中即使只有少量水，也能實(shí)現(xiàn)鋅離子電池的最高容量，并表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。在6A/g電流下，經(jīng)過9,000次循環(huán)后容量保留率高達(dá)80%。

另外，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)深入研究了含水量對(duì)釩基正極和鋅負(fù)極界面微觀反應(yīng)機(jī)制的影響，不僅加深了對(duì)鋅離子電池機(jī)理的理解，也為通過電解液設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)鋅離子電池優(yōu)異性能提供了新思路。

3.晶硅電池

2023年，中國(guó)“新三樣”出口首破萬億。海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)光伏組件產(chǎn)量已連續(xù)16年位居全球首位，多晶硅、硅片、電池片、組件等產(chǎn)量產(chǎn)能的全球占比均達(dá)80%以上。全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量近一半在中國(guó)。

圖片來源：江蘇科技大學(xué)

1月31日，據(jù)江蘇科技大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院報(bào)道，江蘇科技大學(xué)、隆基綠能科技股份有限公司、澳大利亞科廷大學(xué)等合作的研究成果“Flexible Silicon Solar Cells with High Power-to-Weight Ratios”（高柔韌性、高功率重量比的晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池）在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature》上發(fā)表。

晶硅太陽能電池是目前光伏產(chǎn)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)的晶硅電池面臨兩大瓶頸問題：一是，產(chǎn)業(yè)化的大面積晶硅電池其功率轉(zhuǎn)換效率始終難以突破26%的關(guān)口。不同的技術(shù)路線，包括鈍化發(fā)射極背接觸（PERC）、隧穿氧化物鈍化接觸（TOPCon）、硅異質(zhì)結(jié)（SHJ），商用轉(zhuǎn)換效率在24%~25%范圍內(nèi)。

另一方面，目前較為先進(jìn)的晶硅電池厚度一般在150~180μm范圍內(nèi)，重量大、易破碎、無柔韌性。對(duì)安裝弧度要求高和重量要求嚴(yán)苛的使用環(huán)境，如海面漂浮式光伏（海）、曲面屋頂（陸）、衛(wèi)星空間站（空）等，晶硅太陽能電池?zé)o法勝任。因此，研發(fā)具有高轉(zhuǎn)換效率、大面積、重量輕、柔韌性好、低成本的晶硅太陽能電池一直是研究人員的夢(mèng)想。

在本項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性的通過將晶圓減薄至55~130μm厚度，并開發(fā)與之相適應(yīng)的無外延復(fù)合梯度鈍化（低損傷連續(xù)等離子CVD）、自修復(fù)納米晶播種與摻雜接觸垂直生長(zhǎng)、透明導(dǎo)電層的低損傷反應(yīng)等離子沉積、無接觸激光轉(zhuǎn)印柵線等技術(shù)革新，使57~125μm厚的SHJ電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了破紀(jì)錄的26.81%（德國(guó)哈梅林太陽能研究所認(rèn)證），其中57μm厚電池的功率重量比達(dá)到了驚人的1.9W/g，曲率半徑19mm。

本成果在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了具有高柔韌性、高功率重量比的晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池，從根本上革新了人們對(duì)晶硅太陽能電池厚重、易碎的傳統(tǒng)印象，大大拓展了晶硅電池的應(yīng)用范圍。

4.全釩液流電池

據(jù)中國(guó)科學(xué)院1月3日消息，近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究部研究員李先鋒團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出70kW級(jí)高功率密度全釩液流電池單體電堆。該單體電堆體積功率密度由目前的70kW/m³提高至130kW/m³，在體積保持不變的條件下，功率由30kW提高至70kW，成本較目前的30kW級(jí)電堆降低40%，有望助推全釩液流電池的商業(yè)化進(jìn)程。

全釩液流電池因其安全性高、壽命長(zhǎng)、效率高、環(huán)境友好等特點(diǎn)，是大規(guī)模儲(chǔ)能的首選技術(shù)之一。目前由于全釩液流電池初始投入較高，限制了其進(jìn)一步普及應(yīng)用。電堆是全釩液流電池系統(tǒng)主要核心部件，其功率密度決定了電堆成本。功率密度越高，相同輸出功率條件下，電堆體積越小，成本越低。

大連化物所開發(fā)出70kW級(jí)高功率密度全釩液流電池單體電堆（圖片來源：中國(guó)科學(xué)院）

在本工作中，李先鋒團(tuán)隊(duì)采用自主開發(fā)的新一代高選擇性可焊接多孔復(fù)合膜和可焊接高導(dǎo)電雙極板，利用其可焊接特性，開發(fā)出短流程、超薄電池結(jié)構(gòu)，并結(jié)合低流阻、高均勻分配流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制出70kW級(jí)電堆。經(jīng)測(cè)試，該電堆在70kW額定功率充放電條件下的能量效率為81.0%；在60kW恒功率充放電條件下能量效率為82.1%。此外，該電堆連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行1200多個(gè)循環(huán)后，能量效率衰減率僅為1.7%。使用該電堆，可將一個(gè)20尺的250kW儲(chǔ)能單元模塊升級(jí)為500kW儲(chǔ)能單元模塊，不僅功率單元體積大幅減小，而且降低了系統(tǒng)配套設(shè)施的成本。該電堆的開發(fā)，提升了儲(chǔ)能系統(tǒng)功率單元的集成度，有望提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

5.鈉離子電池

1月24日，大連化學(xué)物理研究所官網(wǎng)消息，近日，大連化學(xué)物理研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究部（DNL17）李先鋒研究員、鄭瓊研究員團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所藺洪振研究員合作，在鈉離子電池電解液研究方面取得新進(jìn)展。

鈉離子電池具有資源豐富、成本低廉、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，在中低速電動(dòng)車和大規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。醚類電解液因其低熔點(diǎn)和高電導(dǎo)性等優(yōu)勢(shì)成為鈉離子電池相適配的優(yōu)選電解液體系之一。但是，醚類電解液較高的最高占據(jù)分子軌道能級(jí)（HOMO）使其固有抗氧化性不足，當(dāng)電池電壓超過4.0V（vs.Na/Na+）時(shí)，會(huì)發(fā)生劇烈氧化分解，難以形成穩(wěn)定可靠的電極/電解液界面（CEI），造成嚴(yán)重的不可逆容量損失和較差的電化學(xué)穩(wěn)定性，因此無法有效應(yīng)用于電壓較高的正極材料體系。同時(shí)，醚類電解液的低閃點(diǎn)和易燃性增加了其高溫下的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，也限制了其在鈉離子電池中的普適性應(yīng)用。

圖片來源：大連化學(xué)物理研究所

針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)利用全氟陰離子與正極和溶劑之間的相互作用，設(shè)計(jì)并開發(fā)了系列含全氟陰離子添加劑的醚類電解液體系。研究發(fā)現(xiàn)，添加劑和正極間的強(qiáng)親和作用，可發(fā)生優(yōu)先吸附，減少了自由溶劑分子與電極間的接觸；同時(shí)，高HOMO能級(jí)可作為自犧牲劑優(yōu)先于溶劑氧化，形成富含C-F/NaF的CEI界面，改善了醚類電解液的抗氧化性和界面鈉擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了醚類電解液耐受電壓由3.6V提高至4.5V（vs.Na/Na+），循環(huán)1,900次后容量保持率高達(dá)91%。此外，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，全氟陰離子添加劑和醚類溶劑之間形成的-C-F··H-C-贗氫鍵，可以顯著改善電解液的熱穩(wěn)定性，在60°C下穩(wěn)定循環(huán)100次后容量基本無衰減。該新型醚類電解液體系開發(fā)不僅為鈉離子電池界面化學(xué)調(diào)控提供了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路，而且對(duì)拓寬醚類電解液體系在鈉離子電池中的實(shí)際應(yīng)用提供了新思路。

總結(jié)：

伴隨科研人員的不斷探索，我國(guó)在新型電池的研發(fā)上不斷突破，盡管在當(dāng)前技術(shù)條件下，新型電池的投產(chǎn)應(yīng)用還需時(shí)間，仍需要我們整個(gè)行業(yè)的共同努力。相信在技術(shù)創(chuàng)新、市場(chǎng)需求與政策導(dǎo)向的加持下，作為未來能源儲(chǔ)存與應(yīng)用的重要載體之一，新型電池終將對(duì)推動(dòng)全球能源結(jié)構(gòu)向可再生能源轉(zhuǎn)變發(fā)揮重要作用。