网讯：8月24-26日，由深圳市发展和改革委员会指导，中国化学与物理电源行业协会与南方科技大学碳中和能源研究院联合主办，100余家机构共同支持的碳中和能源高峰论坛暨第三届中国国际新型储能技术及工程应用大会与新型储能技术青年科学家论坛在深圳召开。此次大会主题是“开拓新质生产力，推动储能产业高质量发展”。
大会主办方邀请6位院士及100位行业专家分别从新型储能系统集成解决方案、长时储能技术及应用、虚拟电厂、工商业储能专场、新型储能电池、新型储能与电力市场、智能微电网、储能标准宣贯、新型储能技术青年科学家论坛等12个专场进行充分讨论交流。
来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的500余家产业链企业，1012位嘉宾参加了本届大会，其中21家企业展示了储能产品解决方案，在线观众超过4万余人观看了开幕盛况。
本次大会由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会和中国储能网、数字储能网联合承办，中国化学与物理电源行业协会储能应用分会专家委员会提供学术支持！
8月25日上午，西安交通大学材料学科学与工程学院宁晓辉教授受邀在“新型储能电池专场”分享主题报告，报告题目《新型液态金属储能电池技术的进展》。
宁晓辉：大家上午好！我是来自西安交通大学的宁晓辉，我们这个技术相比刚才曹老师讲的钠离子电池和严老师介绍的液流电池，非常小众，叫新型液态金属储能电池，我们这个东西更准确的定义是液态的金属，这个电池跟大家现在手机上用的锂离子电池、液流电池、钠离子电池都不一样，是高温电池。非常感谢有机会介绍我们这个课题组在这方面的进展。
背景和意义，刚才各位老师都介绍了，主要是现在碳达峰和碳中和目标，要求我们进行能源结构的转化。从现在以化石能源为主体的能源结构，变成未来以新能源为主体的结构。这个转变对电网系统来说更苛刻一些，因为我们目前的电网是以火电为基础，包括水电、核电，这三种能源都非常稳定，是可以可控地进行发电。而用电侧，我们的工厂、家庭用电的规律是可循的。现在我们通过国家电网、南方电网，大型输配电大型的调度能力，能够完全满足发电侧和用电侧的动态平衡。但未来我们要进行能源结构的转变，发电侧需要加入的风能和光伏，这个能源大家都很清楚，它的波动性非常大，而且随机性也非常大。所以加在发电侧以后，这一侧波动也会很大，而且随着电动汽车、新能源等微网用电侧用户端的变化越来越多，导致用户侧的随机和不可控的难度越来越大。这种情况下，大型的电力储能技术对我们来说就非常非常重要了。
大家也可以看到，在“十四五”的新型储能发展实施方案里面，我们国家发改委、能源局也明确提出了，希望构建新型储能的创新新体系，同时加大多元化技术的发展。在这种背景下，给我们特别小众的储能技术一点生存的空间。
如果要做储能电池，我们要做一些更创新的体系，要摒弃之前的一些设计思路，我们需要找一些新的电极材料体系，同时设计一些新的电池结构，才能提出一些新的储能电池技术。
我之前在麻省理工的导师Sadoway教授，他之前是做冶金的，他非常着迷于铝的电解槽，拿破仑头上的王冠上面的金属就是铝做的，包括华盛顿纪念碑上面尖端的金属也是铝做的，当时的铝非常昂贵，但铝经过电解生产之后就非常便宜，走进了千家万户，所以他对铝的电解技术非常痴迷。
电解过程跟我们现在用的电池在化学上是逆过程，我们的电解过程主要是把电能转化成化学能，而电池是把化学能转化为电能，电池充电的时候就是电解的原理。铝的电解槽非常大，上百米的电解槽，它用电非常大，是50万安培4伏的体系，每天用电量非常多。当时我们一个最基本的想法就是如果把电解过程做逆变换，把用电的东西变成储电的东西，变成一个巨大的电池来储能。怎么做呢？我们就想到铝电解精炼这个过程，铝从粗铝到精铝电化学精炼的过程，使用三层液态的结构，最下面是粗铝，中间的用的电解质是熔盐体系，类似于大家平常日常生活中见到的食盐，这个东西在高温的时候会熔化，变成类似水的液体，能够导通离子，所以电解质用的是熔盐，最上面就可以得到精铝的材料。为什么能生成三层液态的材料呢？因为这三种材料的密度不一样，自然而然分成上中下三层，而且这个电解过程是在高温下运行的，可以通过大电流。
在这些思考下，我们想是否可以利用铝电解精炼的原理设计三层液态的电池，液态金属电池。液态金属电池正极、负极电极材料和电解质材料这三种材料密度不一样，所以可以自然而然分成上中下三层，密度最轻的金属在最上面，是电池的负极，密度最大的金属在最下面，是电池的正极，中间是熔盐的体系。电池在放电的时候，负极会变成离子，通过电解质熔盐扩散到正极表面，形成合金；充电就是逆过程。充放电过程中它只是液态的电极材料体积的变化，没有固态材料的结构、材料结构的坍塌等问题。所以理论上来说，它的循环寿命可以很长。而液态的金属用的是比较廉价的，储量相对丰富的一些金属，所以成本比较低。同时中间的电解质用的是无机熔盐，不需要隔膜，成本比较低，还有它在高温下离子导电率非常高，而且三层的液态结构在电池做大的时候，结构非常简单，所以非常容易做上百安时电池的单体电芯，我们实验室可以做200安时以上级别的电池电芯，唯一的问题就是它是高温体系，所以第一次运行的时候需要加热，但是电池我们把它叠堆以后做比较好的保温，在充放电过程中会产生大量的热，可以和热损失实现动态平衡，足以维持液态金属电池在这么高的温度下来运行，所以它完全可以做成自热的体系。
这边的图大家可以看到，为了让大家更清晰地理解液态金属电池这个概念，我们在实验室构建一个室温的液态电池Demo，当然它不能实际应用，因为它的正极用的是有毒的汞金属，我们构建的这个电池就是为了大家更清晰的看到这个三层的液态结构，而且这个电池确实有一个电压，可以简单地充放电，但性能并不比我们高温实际运行的电池性能好，只是让大家理解三层液态的概念。
这种液态金属做电极，能够有效地解决电池循环过程中的材料粉化和枝晶生长的问题，因为是液态的，所以充放电过程中不会有应力，所以没有应力就不会有粉化。同时这个液态的金属和液态的电解质之间的界面是液-液界面，接触非常好，所以解决了固态电极和电解质接触界面的问题。
液态金属电池还有一些优势，因为三层液态结构是依靠材料密度的不同自动分层，所以整个电池结构非常简单，非常容易做大，我们实验室可以做200安时、300安时、甚至500或600安时容量的电池。第二就是液态电极没有固态电极结构的一些变化导致的电池容量衰减，相比我们固态长循环以后，电极材料结构坍塌以后导致容量的衰减，这个问题在我们这个体系里面就不存在，所以我们这种电池的使用寿命相对比较长。另外中间的电解质熔盐，储能技术里面有一个储热技术，熔盐本身是就是作为储热的材料来使用的，产生热以后，假如电池短路以后产生热，都会被熔盐吸收，不会产生起火爆炸的风险。同时不需要隔膜，所以成本相对比较低。
《“十四五”新型储能发展实施方案》里面也提出了未来把液态金属电池作为一个新技术，作为未来一个攻克的方向，希望未来应用于储能领域。
下面介绍一下我们课题组在电池材料体系，包括单体电池和储能系统方面的进展。这是我们在液态金属电池材料体系设计方面研究的一些结果。
材料选择大家都知道，最基本的是回到元素周期表去寻找，因为我们的电池需要有一定的电压，所以负极要选比较轻的金属，我们找的是元素周期表里面的碱金属和碱土金属，比较轻，而且有一定的活性。正极需要找一些密度比较重的，熔点比较低的，所以我们的范围就在于非金属性比较强的金属元素，就是在金属元素和非金属元素之间台阶的地方。
一般电极材料体系的设计都是从简单到复杂，所以最开始我们构建了一个相对比较简单的体系，我们负极采用的金属元素是锂，熔点大概是180摄氏度，正极选择的是铋，铋的熔点是270多度，中间的熔盐我们选的是锂基的熔盐，熔点大概在400摄氏度左右，所以我们的电池在500摄氏度下运行的话，刚好是一个三层的液态结构。
在这个锂/铋的液态金属电池体系中我们发现了一个比较有意思的机理。我们最开始以为电极在充放电过程中始终保持在液态，但其实正极不是这样的，负极始终保持在液态，但正极这边放电过程中，会在放电的中间过程生成一些固相的金属间化合物。但这个固相它只存在于放电过程中，充电的时候它又会变回到液相。也就是说正极其实是可愈合的，放电的时候会生成固相，但充电的时候固相就消失了，充电的时候又会回到三层液态的结构。
我们的实际的电池长什么样子？就是右下角的图，（见PPT）跟大家现在见到的电池不一样，比较大比较重，采用不锈钢做的外壳。我们在这个体系里面，我们验证了不同容量下的电池稳定性。最小的电池很小，最右边的直径1.3厘米的大概是几百个毫安时的容量。最大的直径在15厘米左右，我们做到了143安时的容量，运行了三百个循环，没有看到任何的容量衰减。
这个体系虽然运行的还不错，但内阻比较大，同时电极电解质之间界面会有点不平衡。我们后来发现，由于这个电池壳是不锈钢的，液态金属Bi与不锈钢不完全润湿，所以内阻比较大。怎么提高润湿性，我们在Bi中加了非常少的Se元素，加了Se元素以后正极与不锈钢就完全润湿了，这就降低了电池的内阻。所以我们做了20安时容量的电池，运行了1200圈，容量保持率达98.4%。
接着我们发现Li｜Bi电池的电压比较低，我们想着能不能往正极加点合金元素Sb。Sb的电压比Bi高，但熔点也比较高，到600多度了，所以我们把Bi和Sb进行合金化，这样熔点能降低，电压也能高一点。加Sb以后我们可以看到放电的电压平台得到提升，这样我们做了一个5安时的容量电池，运行了160多个循环，没有任何容量衰减。
但这个BiSb正极的问题就是高倍率性能不好，我们想能不能改善它的高倍率性。我们看看元素周期表里面的Te元素，Te比较贵，所以我们也是把它作为添加剂元素，加了一点点之后，由于Te的放电电压跟Bi和Sb的放电电压差距非常大。所以我们先让Te在表面形成一些固相，在放电的时候，由于正极多组元合金生成过程中产生的应力的作用可以在Te的固相层中压出来很多裂纹，这样我们无形中增加了很多锂离子的通道。这样我们加了一点点Te以后，我们发现电池的倍率性能也得到比较好的提升，我们从100毫安每平方厘米做到1000毫安每平方厘米的时候，容量的可逆损失非常小。
我们发现正极中增加合金元素能够有限改善电池性能，但是只是依靠我们的经验或者依靠实验去试错的话，时间成本和金钱成本比较大，所以我们就想，能不能利用AI技术。所以我们就采用一些机器学习的方法，我们构建了数据库，通过机器学习的手段，能够实现多元合金正极的设计。我们通过机器学习做了四元的合金正极的设计，实现了性能的提升。同时我们之前电极体系负极用的是锂，但锂比较贵，所以我们设计了钙基合金的负极，稳定循环了500个循环没有任何的容量损失。我们发现在使用了机器学习的手段后，确实可以帮助我们设计电极材料体系，节省了大量的时间和成本。
在液态金属电池电极材料体系研究之外，我们还对液态金属电池单体进行了设计和优化，我们首先做了一些小的电池，因为我们在实验室做，不可能测试几年时间。所以我们做了5安时级的液态金属电池，这个是在15安培的放电电流下进行测试，充放电电流都是15安培，百分之百深充深放，3C的倍率，这个电池运行了4100个循环以上，放出来的容量大概是4.92安时，材料利用率达到98.4%，库伦效率99.52%。
我们还做了一个更大的容量，200安时级别的电池，这个电池因为受实验室充放电电流设备的限制，我们只能在50安培的电流下进行充放，0.25C，我们也是百分之百深充深放，放电容量可以达到199.4安时，材料利用率可以达到96.79%。稳定运行了700个循环以上，九个月时间了，没有发现明显的容量衰减，确实证明我们这种液态金属电池具有很好的循环稳定性。
液态金属电池大家比较关心的还有一点就是三层液态混在一起或者电池倒了会怎么样，所以我们拿200安时的电池测试，把它放到一个能够转的加热台上，因为我们的电池是在高温下运行的，所以我们要测试的话，需要保持在高温的体系下能够旋转。我们把它倾斜到31.9度的时候，可以这个电池三层液态的结构还是在维持着，所以电池还是能够正常地充放电，但如果彻底倒过来放倒了，放到90度了，那正负极直接就短路混合在一起了，这时候就会产生热。我们也测了右下角紫色和黄色的曲线，这两根热电偶在电池壁上贴着，可以测到段路后电池的温度的升高，从550度摄氏度升高到590摄氏度，大概温升只有45摄氏度，也就是大量产生的热都被熔盐体系吸收了，所以本征性不会产生任何气化而爆炸的可能性。
同时我们的电池未来在储能的实际情况下用的话，可能会遇到一些极端的情况，比如地震的情况。所以我们也做了一些在20赫兹地震频率下做的安全性的测试，包括一些垂直振动和水平振动。这个情况下，电池曲线的毛刺是因为接线的位置的振动产生的，但电池在垂直振动的时候是完全可以正常运行。水平振动的时候出现了短暂的短路，但是当电池振动停止以后，电池停止工作静置一段时间之后，电池又可以正常充放电。证明这个级别，20Hz10Hz的地震频率，对电池没有太大的影响。
“十三五”期间我们承担了重点研发计划项目，我们做了一个电池组，这个过程中我们首先克服了大家在做系统过程中关键问题，比如电池的一致性问题，我们从电池的结构、配料材料、组装工艺、结构参数等方面进行了优化，提高了电池的一致性，能够实现200安时级别以上的电池容量差异小于小于2安时，内阻差异小于2毫欧，电池一致性比较高。0.2C的单体电池平均可以达到86%以上的能量效率。
由于我们的液态金属电池电压也比较低，跟现在的锂电钠电不一样，所以我们BMS也要自己进行设计，所以我们根据电流大、电压低的特点，我们设计了两层的均衡体系，均衡以后我们电池的一致性非常高，电压差40.6mV，均衡电流可以实现1.4安培。
在这个基础上我们还要进行加热模块的耦合，因为我们本身是高温电池，所以我们利用系统里面的热空气对流原理进行了加热的设计，同时我们也做了温度失控的防范。右下角的图我们可以看到大概十几个电池串联起来以后，在0.5C的倍率下运行，蓝色曲线就是外加电的电流，可以看到在0.5C下运行的时候，这个电池产生的热就完全够电池自己运行了，它自己就是500摄氏度，所以不需要外加供热，可以实现自加热。当然这个电池在第一次运行的时候，还是需要我们给一个热，但是正常运行的时候是不需要的。
在这个基础上，我们跟华中科技大学蒋凯老师合作，构建了液态金属电池三维的传热耦合模型，提出了电-热耦合服役特性调控策略，实现了多层级电池高效管理系统，构建了国内首台5KW每30KWH的锂基液态金属电池系统，这也是通过了第三方的检测。
在这个基础上，我们有这些年的技术积累，2023年6月份在西安成立了恒辉科源（西安）新能源技术有限公司，致力于推进液态金属电池技术产业化进程。天使轮已获得江远投资千万级融资。欢迎各位专家和老师到西安去我们那指导工作。
以上就是我介绍的内容，谢谢各位！
