网讯：8月24日—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四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”。
在新型储能技术青年科学家论坛上，北京理工大学珠海材料与环境学院副院长詹世景做了题为《先进电化学储能体系及关键材料研究》的主题演讲。
北京理工大学珠海材料与环境学院副院长詹世景
一、发展背景
根据国家能源战略布局，2005年《可再生能源产业发展指导目录》提出了储能产业战略规划，此后“碳中和、碳达峰”和“二十大”都提出深入推进能源革命，加快规划建设新型能源体系，这些战略对储能来说是非常重要的。
我国可再生能源进入大规模跃升新阶段。根据国家能源局统计，截至2023年底，全国电力装机总量29.2亿千瓦，同比增长13.9%。全国可再生能源总装机突破了14.5亿千瓦，占总装机容量的50%。其中风电4.4亿千瓦，同比增长20%，太阳能同比增长55.2%。
我国能源结构占比已经实现了大调整，可再生能源已经成为主流，占比为53.8%。根据国家能源局的数据，截至2024年6月底，全国可再生能源的发电总量达到了16.53亿千瓦，同比增长25%，占我国发电总装机量的53.8%。太阳能发电7.14亿千瓦，同比增长51.6%，风电装机4.67亿千瓦，同比增长19.9%，风光两项加起来已经超过了煤电的装机总量。由于风光发电必须有储能的配套，这对储能产业的发展起到重大助力。
目前的储能技术按照储存方式和介质的不同分为物理、电化学、电磁、热储能和化学储能等。物理储能主要是以抽水蓄能为主，相对来说技术成熟、建设成本比较低，转化效率达70%-85%，但条件比较苛刻，建设周期比较长。电化学储能主要以锂电池、铅酸电池和全钒液流电池为主，其中锂离子电池的转化效率比较高，产业配套比较成熟；而电磁储能更适用于放电时间短且迅速的功率型储能。
2023年是储能行业爆发式增长的阶段，新增量达到了22.6GW/48.7GWh，与2022年相比增长超过了260%。2023年底，我国已经建成31.4GW/66.9GWh，平均储能时长2.1小时，近10倍于“十三五”的装机规模，锂电占比很高，达97.4%，处于绝对的主导。2023年的增量已经超过之前总量的2倍，预计到2025年底，储能累计装机量将超过100GW，新型储能规模大概为35-78GW，“十四五”期间年均增长率超过60%。
对比电化学储能的指标，现在大规模应用阶段的技术为磷酸铁锂电池以及铅酸电池；其中磷酸铁锂电池在很多方面都具有优势，固态电解质还处在技术研发为主的阶段。
大规模储能在能源互联，与太阳能、风能、海洋能等能源配合方面都具有很大的应用场景，在新能源交通、5G通信、航空航天等领域也有各种各样的应用场景。美国、欧盟、日本等一系列国家都推出了自己的战略规划。
2019年诺贝尔化学奖：“锂离子电池的研发开创了一个可充电的世界”。但不同的体系都面临着各自的挑战以及工程化问题，总体来说，还要在电池能量密度、工艺特性、寿命和电池的安全性等方面得到提升。而电池性能要不断提升，需要在机制和关键材料上进行持续创新。
二、研究进展
我们组围绕电化学储能体系及材料研究方面做了大量工作。
1.多电子反应的机制研究
我们把元素周期表的元素按正负极进行匹配，建立了一系列电池反应体系。按热力学特性可分为七个体系，针对不同反应类型的代表性电极材料，实现了对离子的传输和电极反应的模式进行了一系列的研究。这是热力学整体的通式。载流子价态，载流子个数以及阴阳离子价态变化是热力学的关键因素，这是我们的系列计算公式，核心要求主要就是载流子的类型。
为了提升电池的功率特性以及离子的传输速度，不可避免要对动力学进行优化，典型的动力学过程主要有这七个过程，包括金属的沉积以及剥离、离子溶剂化等。我们对应这些过程，进行了动力学计算。
总体来看，多电子的反应机制和这四大类型有关。载流子的类型决定了转移的电子数，并影响了存储过程的动力学；主体材料类型决定了反应的类型，是影响动力学过程的关键因素；电解质的类型影响界面的稳定性和动力学性能；相互作用类型决定了反应类型，化学键是影响动力学的直接因素。
2.钠离子电池材料
钠离子电池正极材料：通过多金属掺杂以及结构调控，对普鲁士蓝类似物进行了系列研究。针对富钠结构普鲁士蓝在储钠中晶格畸变、缺陷且界面不稳等性等技术难点，通过结构设计调控、金属掺杂、精准离子交换等方法设计研制新结构组成。
钠离子电池负极材料：通过引入电化学惰性Ti元素，构建纳米片堆叠的中空花状结构；设计阳离子缺陷的金属硒化物材料，构建了纳米片阵列结构；通过低温环境合成羟基化合物用于储钠。特殊结构负极改善了结构稳定性，抑制了体积膨胀，提高了电子的电导率，提升了循环性。特别要提一下的是：羟基化合物负极与普鲁士蓝体系具有很好的匹配度。
我们也关注钠离子电池电解质的设计与开发，重点讨论了不同钠离子电池电极材料体系与电解质之间的匹配关系。与锂离子电池相比，钠离子电池的界面稳定性对整体性能影响更关键。无机组成部分的含量对于钠离子传输能垒和界面稳定性产生了决定性的影响。
高安全电解液：我们对电解液进行了一个系列的研究，离子液体化学将在开发新型高离子电导率离子凝胶膜电解质中发挥重要作用。从另一个方面来看，骨架的大表面积（物理）和各种官能团（化学）产生的主客体相互作用也为改善离子导电性提供了无限的机会。与纯液体相比，凝胶状物质具有强大的机械强度和形状灵活性。形状灵活性甚至可以赋予电解质自愈能力，这在柔性电子设备的电池应用中尤其有价值和可取。
近年来，团队通过在电解质侧不断深入挖掘，制备了咪唑啉酮类、唑烷酮类、哌啶类、吡咯烷类等离子液体、亚硫酸酯类/异氰酸酯类添加剂复合的高安全/宽温带特性的液态功能电解质，提高电池的安全性能。通过在电池的电解液中添加较少剂量的添加剂，就能够针对性地提高电池的某些性能。例如可逆容量、电极/电解液相容性、循环性能、倍率性能和安全性能等，在电池中起着非常关键的作用。
3.锌离子电池材料
水系锌离子电池具有安全环保、成本低、电导率高等特点，针对正极材料易溶解、电解液相溶性差等问题，将聚（1，5-萘二胺）和聚（对氨基苯酚）原位沉积至多孔碳，制备含C=O 和C=N 新型有机物复合正极，得益于多活性储锌位点和聚合物的协同储能机制，其具有优异比容量、倍率性能和循环稳定性。利用高效、低成本且绿色的氯化铈（CeCl3）作硫酸锌电解液的添加剂，其利用锌表面动态静电屏蔽层的形成，促进锌金属的致密沉积并抑制析氢，有效提高电极稳定性。
针对负极稳定性差的问题，在锌箔上掺杂了石墨烯的改性层，有效诱导金属锌沉积在(002)晶面，提出了三维调控锌金属负极的增长和副反应的设计方案，突破了低浓电解液中保护膜的技术难点，实现了性能的稳定提升。
4.锂硫电池材料
针对硫电极导电性差，比容量难以发挥的难题，设计了三维多孔层状结构的碳/硫复合材料和核壳结构的导电聚合物/硫复合材料，构筑了三维导电网络和Li+扩散的多孔通道，材料比容量大于1300mAh/g，是商用锂离子电池正极的8-10倍。
为了解决飞梭的效应和循环稳定性差的难题，我们设计了选择性通过隔膜以及多位点功能的夹层，抑制了穿梭，提高了物质利用率和循环性，循环性能提升了5倍以上。
针对材料集成及电池工程化制备难度大的难题，设计分步涂覆法构筑厚硫正极，具有硫含量高70wt% 、工艺简单和电解液用量少等优点；通过合成方法创新，采用模块组装模式构筑微米级的超结构高载硫正极，硫载量高达8.9mg/cm2，单位面积容量达到8.4 mAh/cm2。
针对电池的循环性和功率性能的需求，基于MOF纳米颗粒分别和柔性碳纤维、剥离的MXene纳米片静电自组装并通过原位硒化策略制备得到分级多孔多面体CoSe 、 CoSe-ZnSe异质结构及0D-2D异质结构电催化剂。其对多硫化物具有多重吸附位点，可优化多硫化物吸附，抑制了穿梭效应，并实现电池样品在贫液和高载硫条件下的长循环和高倍率特性。
我们团队建立了一个能源材料及器件原位表征平台，可以对电池材料进行形貌、结构、组成、力学等方面进行全方位的分析，实现了绿色电池关键材料和新型电池体系的构筑，电池和材料失效分析等方面的系统研究。还建成了高性能锂离子的二次电池的制备平台，拥有十万级的高洁净度以及智能数据的采集和控制管理。团队研制出高能量密度的电池以及高循环寿命电池，通过模组的优化设计，先后在多个方面开展了应用。
三、未来展望
全球储能装机规模：预计2025年全球储能规模应该有488GWh。在中国高复合年均增长率非常高，未来几年应该有110%，新增装机量中，以政策推动的发电侧(新能源)占比最大。美国高复合年均增长率大于90%，欧盟复合增长率35%。
应用场景分析：预计到2025年大型储能复合增长率113%，工商储能应该在95%，户用储能在87%，这几年在储能领域应该会有很大的发展。
2022年我国20个省市/自治区发布了“十四五”期间储能发展目标，预计到2025年，将累计实现54GW。
北京理工大学先进能源材料与智能电池创新团队依托“北京电动车辆协同创新中心”、“环境科学与工程北京市重点实验室”等国家级和省部级平台，承担了国家自然基金重点项目、国家重点研发计划及国防重点项目等。
团队现有中国工程院院士1人，国家级领军人才2人，国家级青年人才2人，骨干教师及科研人员19人，在读研究生80人。专注于高能量密度、高安全、长循环寿命的新体系电池研究；聚焦多电子高比能新型二次电池及关键材料，离子液体及新型功能复合电解质材料、特种功能电源及异构纳米材料，绿色二次电池设计与资源化利用等前沿技术研究。
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