鋅空氣電池和下一代硅鋰電池研究應用
時間:2015-11-13 09:10來源:中國電池網 作者:西顧
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大家好，很榮幸能有機會到工業(yè)界的論壇來講一下學術方面的問題，今天我首先第一個講一下我們在鋅空氣電池方面的技術和產業(yè)化方面的問題。第二個，我們做了很多硅基鋰離子電池的應用和研究，所以今天也跟大家講一下這方面的研究。
我原來是在加州大學上的博士，2008年之后到了滑鐵盧大學擔任教授職位，滑鐵盧是在加拿大的滑鐵盧，滑鐵盧離多倫多一個小時車程，離紐約七八百公里，到芝加哥也非常近�；F盧大學在西方是一個比較年輕的大學，它是1957年建校。這個大學建校有兩個特色，第一個特色，它的本科教育是要五年完成的，本科生有兩年必須在企業(yè)或者科研院所進行實習才能拿到學士學位，所以畢業(yè)生最大的好處是企業(yè)非常喜歡，因為他知道企業(yè)需要什么。
然后滑鐵盧還有一個非常特別的地方，就是我們的專利權它是屬于教授跟科研人員的，學校不參與專利的爭奪權，完全屬于教授。正因為這個政策，導致了滑鐵盧其實是加拿大的高科技三角區(qū)，有幾百家高科技創(chuàng)業(yè)公司在那里。特別有一個東西大家都知道，黑莓手機，其實是由滑鐵盧的一個本科生創(chuàng)辦起來的，曾經輝煌過，現在不怎么樣了，但是他那個創(chuàng)業(yè)氛圍還是非常重的。
我是屬于化學工程跟機械工程的教授，我們其實是加拿大最大的工程學院，也是北美最大的工程學院之一。我還是屬于納米工程學院的教授，我們是北美第一個有本科納米工程的學校，這個樓是我們那個黑莓校友花了1.6億美元捐助建的，里面有最先進的納米技術，納米材料的表征設備，對我們電池材料的研究幫助也非常大。
我的課題組主要是做高能材料，高能材料你看這圖上面，能源材料有三個方面的應用，第一個應用是燃料電池，我在美國加州讀博士的時候我是做燃料電池的，然后2008年加入滑鐵盧大學之后，我們同時開始做鋰電池，包括鋰離子電池，還有鈉離子電池，同時還做了鋅空氣電池的研究。
這是我們在滑鐵盧的團隊，40個人左右，我們鋰電池主要是跟通用汽車公司合作。燃料電池主要是跟巴拉德公司合作，其他的一些包括美國能源部的項目，現在我們有兩個正在做。
今天首先講一下鋅空氣電池我們最新的進展。這個能源非常重要，大家都知道，特別是鋰電池。主要的應用是集中在這幾個方面，第一個方面就是交通，還有一個更大的市場現在正在展開，就是新能源的儲備，比如風能、太陽能，還有跟國家電網連在一起的大規(guī)模儲能，這是必須解決的問題，因為我們要把垃圾電變成優(yōu)質電，必須有大規(guī)模的電能儲備。還有可穿戴式電源。
談到電池技術的話，有幾個參數是比較重要的，左上角是能量密度，右上角是功率密度，左下角是壽命，右下角，最重要的一個，是成本。這四個參數決定了你這個電池能夠適應什么樣的市場，能不能占領市場。在現階段的話，特別是電動汽車的推廣方面，還有手機電池，筆記本電腦電池這方面，對能量密度的要求顯得尤為重要，比功率密度更重要。
所以現在許多學術界主要的研究就是怎么進一步提高它的能量密度，這是首要任務。在提到能量密度的同時，你必須讓這個電池有足夠長的壽命，這是非常關鍵的。然后還有成本，這幾個因素基本上缺一不可。
提到能源非常重要，我們就來談一下為什么我們當初選擇了鋅空氣電池，鋅空電池，金屬空氣電池，現在主要有兩個研究方向，一個就是鋅空電池，還有很多學術界集中在鋰空電池的研究上。為什么大家鋅空電池和鋰空電池很興趣呢？因為它的能量密度比較高。正因為能量密度特別高，所以特別關注，大家都認為這是下一代的電池技術。
我們看一下七年前，2009年的時候，我開始做金屬空氣電池，我們做了一個分析，為什么需要做鋅空呢，看這個表格，我們有不同的金屬包括氫氣，這些能量密度都非常高。但是比如像煤鋁，還有鐵，由于它的化學特性，決定了它不可能，就排除掉了。就剩下鋅跟鋰，如果比較它的體積能量密度，鋅比較高，它們各有優(yōu)缺點。所以基于這個考慮，我們當時想覺得鋅也是很好的。
比較鋰空跟鋅空，鋅空更加趨向于現實，因為市場上注氫，紐扣電池都是用鋅空電池，它能量密度高，但是這個是一次性技術，它是鋰離子的兩到三倍可以做到。也就是說在市場上已經可行，只是不能充放。還有比較鋰電池？它活性比較高，你用的時候會增加材料上的許多麻煩，這是很難克服的。正因為由于這個，我們當初決定做鋅空電池而不是鋰空電池。
我們總結一下鋅空電池電池的優(yōu)勢，第一，它能量密度比較高，理論上是五倍，現在市場上可以做到兩到三倍一次性的話。還有其魯教授提到，鉛酸電池污染非常大，但是鋅空電池基本上沒有什么污染，它對環(huán)境非常友好。而且沒有危險，用水箱電解，這是它的一個很大優(yōu)勢。
還有就是材料非常便宜，跟鋰比。還有鋅的全球儲量是非常大的，即使以后大規(guī)模應用的時候，它價格不會波動。
接下來看一下鋅空，既然這么好，看一下工作機理，現在所有的電化學能源都是非常簡單的，鋅空是燃料電池跟電池的結合體，它的工作機理很簡單，現在這個是放電，放電的反應是什么反應呢？我們叫它氧還原反應，它是放電的狀態(tài)，氧氣變成水，這是放電。當然了，還有充電，點就是把它倒過來，倒過來就是變成氧氣跟水，提供電，這就是充電。氧氣反應跟傳統的是不一樣的，這個氧氣反應是非常緩慢的反應，我們?yōu)榱思铀偎姆磻�，就必須有一種很好的催化劑來提升它反應的速度，提高它的效率。所以鋅空電池的第一個挑戰(zhàn)，可充放，你必須尋找或者發(fā)明一種活性非常高，又非常穩(wěn)定的催化劑，能夠讓這個反應盡快地進行。
也就是鋅空電池的第一個挑戰(zhàn)，我們必須解決的問題，就是氧氣電解催化劑怎么解決？鋅空充放過程中，它氧氣反應，比如充電的時候電位比較高，但是催化劑中往往有許多碳，容易發(fā)生腐蝕，鋅空的可充放電池一直沒有實現的其中一個原因，這個問題必須解決。
還有一個更大的問題，是鋅資金的問題�；谶@兩個問題，根據我們自身的研究，我們設計了一種新型的氧氣催化劑，來適合于反應的進行，我們設計這個氧化劑是處于納米工程的考慮，我們在2010年的時候，成功地開發(fā)了雙功能催化劑，它是怎么做的呢？我們先做成金屬氧化物的半攙雜的納米化，這個催化劑的好處，由于這兩種材料的有機結合，你能夠顯示很高的活性，它的氧催化活性比鉑還高。在充電的時候它的活性和穩(wěn)定性也非常高。
看一下我們的結果，我們發(fā)展出來的催化劑非常穩(wěn)定，而且性能也很好。比較一下藍色和紅色，藍線是鉑，鉑是白金催化劑，白金催化劑初始的催化性能不錯，但是它的穩(wěn)定性能差。還有一種稀有金屬它的穩(wěn)定性也不行，我們這種催化性穩(wěn)定性很好，活性也很好。
然后看一下電池的充放，左下圖是三千個循環(huán)，基本上沒有什么衰退�？匆幌掠疑蠄D，是一千小時，基本上也沒有什么變化。有這個結果之后，當時我們就認為，我們基本上第一次解決了雙功能催化劑在鋅空電池上的應用，所以這個問題解決了。
所以接下來的問題，我們同時做三維電極結構的催化劑，這個也非常穩(wěn)定，這是我們正在開發(fā)的。
還有就是第二個最大的挑戰(zhàn)，是鋅資金，怎么解決它的問題呢？把鋅電極做成多孔電極，為什么做成多孔電極呢？兩個原因，一個我們做成多孔電極之后，因為它的比表面積高，它的能量密度會很高。第二個，形成這些孔之后，我們希望鋅資金不要一下跑到表面上來，把電池穿刺了，往孔里長。所以這個方法初始階段是比較有效的，但是這個方法還是沒有解決鋅資金的問題。
然后我們有一系列的專利，這個是模塊化，全部是集裝箱型的，而且我們有很好的設計思路，跟傳統市場上所有的鋅空電池設計是完全不一樣的，而且我們認為我們真正地解決了這兩個問題，市場上其他的許多鋅空電池的公司是機械式更換芯片來實行充換。當然鋅空電池有一個很大的缺陷，它的能量密度下來了，所以我們市場就不一樣，我們針對大規(guī)模儲能市場，因為它對成本的要求高，對能量的要求沒有那么高。
看最后一個表，十年的使用成本，我們可以做到4到8分錢每千瓦時，價格是最低的。我們針對的市場是什么呢？看這個報告，2014年全球的電池市場1600億美元，將近1萬億人民幣。根據預計，在2020年的時候，應該能達到3200億美元，為什么呢？大規(guī)模儲能它的共性會非常大，現在所有的風能、太陽能必須有電池的儲備在那里。所以這個市場的增長是非常大的，對大規(guī)模儲能電池的要求，需求量以后會非常大。
我們主要是針對這個市場，當然了，我們并不是說放棄了原來的思路，因為我們原來是準備用在動力電池上，利用鋅空的高能量密度，所以我們也繼續(xù)投入力量，想辦法解決鋅資金的問題，如果能解決，可以取代很大一部分的動力電池的市場，這是我們以后的目標。
接下來講一下硅基鋰離子電池的發(fā)展，上個星期剛剛接到一個通知，叫我們去全球百大科技獎，我們的拍檔去了，我沒辦法去了。我們硅基鋰離子電池實現了什么東西呢？比如硅，其魯教授已經提過，這個硅材料很好，為什么呢？因為它的能量密度非常高，硅可以達到4200，現在碳材料是372，也就是理論上可以達到10倍以上。好東西絕對有缺陷，什么缺陷呢？它充放過程中，體積收縮變化非常大，電極很容易崩潰。
怎么維持電極的穩(wěn)定性？提高電池的壽命，這就是硅材料必須解決的問題。我們要給它做一個籠子，把這個硅放在籠子里面，讓它不要到處亂串，電極讓它不要變形，那樣電極穩(wěn)定，電池壽命就好了，這是我們的思路。當然這個我們結合了其魯教授介紹的石墨烯，也就是我們實驗室自己形成了很完善的制備工藝，我們有自己的石墨烯制備辦法，還做了硫攙雜石墨烯，當然了石墨烯只是作為一個輔助材料，不是主要材料。
經過這個工藝，把它混漿之后，進行一定的低溫處理，我們可以在電極的初始容量3.5毫安的情況下，第一圈的循環(huán)效率是86%，這是文章上的數據，可以循環(huán)壽命達到2000個循環(huán)以上，這個是我們的貢獻，就相當于真正地達到了可以跟正極材料匹配的硅電極，利用這個硅電極可以把負極變薄了。如果你進行這個核算，我們滑鐵盧2015年8月份利用硅電極制備的電池能量密度可以提高40%。所以我們最終要達到提高60%，這是我們的目標。
這是我們最近對我們這個技術全世界的報道，謝謝大家！
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