香港文匯報(bào) 2021年5月6日 A06版

聚焦鋰電池安全 提升綠能儲(chǔ)存效率

用陶瓷管做固態(tài)電解質(zhì)，31歲的鄭州大學(xué)副教授金陽(yáng)發(fā)明的新型固態(tài)電解質(zhì)熔融鋰金屬電池體系，能讓「巨型充電寶」——大型電化學(xué)儲(chǔ)能電站成為更加安全的現(xiàn)實(shí)，這種「巨型充電寶」可像手機(jī)充電寶一樣為小區(qū)、工業(yè)園區(qū)等「充電」，提升新能源利用效率，調(diào)配電力使用，進(jìn)而幫助中國(guó)能源進(jìn)行有效轉(zhuǎn)型。

香港文匯報(bào)記者 劉蕊 河南報(bào)道

「創(chuàng)新就是要解決問(wèn)題?！?1歲的金陽(yáng)本科畢業(yè)於鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院電氣工程專(zhuān)業(yè)，在西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院碩博連讀期間，他前往美國(guó)麻省理工學(xué)院和史丹福大學(xué)，開(kāi)始接觸電池的研究。金陽(yáng)告訴香港文匯報(bào)記者，儲(chǔ)能技術(shù)是提升新能源利用效率、調(diào)配電力使用的重要環(huán)節(jié)，能夠助力中國(guó)能源轉(zhuǎn)型強(qiáng)有效。目前電化學(xué)儲(chǔ)能是主流，而這其中90%又都是使用鋰電池，但鋰電池是不完美的，安全問(wèn)題一直未被有效解決。

陶瓷安全性高杜絕隱患

金陽(yáng)所發(fā)明的固態(tài)電解質(zhì)熔融鋰金屬電池體系，其結(jié)構(gòu)是以石榴石陶瓷管為固態(tài)電解質(zhì)，以液態(tài)高儲(chǔ)鋰材料為負(fù)極、熔融合金為正極，以不銹鋼為電池殼，以硅橡膠為密封材料?！冈擉w系的優(yōu)勢(shì)是正負(fù)極被完全隔離，不存在鋰枝晶和穿梭效應(yīng)，這就杜絕了鋰枝晶帶來(lái)的安全隱患。而且固態(tài)電解質(zhì)即使在高溫情況下也不會(huì)燃燒，電池也因此更安全?！?/p>

「電網(wǎng)儲(chǔ)能相當(dāng)於上萬(wàn)個(gè)電池在一起，就好比是一個(gè)超大型的充電寶，如果出了安全問(wèn)題的話(huà)，是非常致命的，所以說(shuō)它的安全性要求更嚴(yán)格。」金陽(yáng)說(shuō)，衡量電池的指標(biāo)有三個(gè)，首先是安全性，第二是壽命和能量密度，第三是成本?！敢C合考慮這三個(gè)方面的因素研究新的電池體系?！?/p>

「其實(shí)已經(jīng)有很多人在做固態(tài)電解質(zhì)了，只是每個(gè)人的路徑不同，而從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化也是一道坎?！菇痍?yáng)的想法是用陶瓷管做固態(tài)電解質(zhì)。「通俗點(diǎn)說(shuō)，陶瓷就跟石頭一樣，不會(huì)著火，使用起來(lái)更加安全?！惯@想法從「種子發(fā)芽到長(zhǎng)成小樹(shù)」用了三年時(shí)間。

在研究領(lǐng)域裏，金陽(yáng)就像一個(gè)心無(wú)旁騖的馬拉松跑者，在賽道上按照自己的速度一步步向終點(diǎn)跑去。

在美國(guó)史丹福大學(xué)崔屹教授課題組留學(xué)期間，金陽(yáng)就開(kāi)始嘗試實(shí)踐自己的想法，但當(dāng)時(shí)由於時(shí)間有限以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原因沒(méi)有完成，後來(lái)回國(guó)後，金陽(yáng)又去了清華大學(xué)陶瓷國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與伍暉副教授和劉凱博士開(kāi)展合作研究，在2018年把電池的構(gòu)型給驗(yàn)證了，並正式形成研究成果。

隨著碳達(dá)峰、碳中和「30·60」目標(biāo)的提出，以光伏、風(fēng)電為代表的可再生能源戰(zhàn)略地位凸顯，作為支撐可再生能源發(fā)展的核心環(huán)節(jié)，儲(chǔ)能技術(shù)尤其是固態(tài)電池儲(chǔ)能研究與開(kāi)發(fā)成為科學(xué)界與商界追逐的「熱門(mén)賽道」。

降成本實(shí)現(xiàn)新能源配套儲(chǔ)能

「固態(tài)電池研究目前大家都在賽跑，大家有各自的技術(shù)路線(xiàn)與賽道。目前誰(shuí)能一統(tǒng)天下還不一定?！沟诮痍?yáng)看來(lái)，最終能夠走向產(chǎn)業(yè)化的方案肯定是成本低的。

金陽(yáng)表示，光伏風(fēng)能本身的成本很低，如果儲(chǔ)能的成本無(wú)法降下來(lái)，是無(wú)法與新能源相配合的，也不好建儲(chǔ)能電站。

金陽(yáng)研發(fā)的新電池體系具有低成本的優(yōu)勢(shì)。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(yáng)利用這一特性，開(kāi)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(duì)於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(lái)的金屬鋰純度大於99.7%，並且將生產(chǎn)成本降低為當(dāng)前國(guó)際鋰金屬價(jià)格的20%以下。

除此之外，電池工作溫度低也能有效降低電池成本。金陽(yáng)所研發(fā)的電池體系與自1960年以來(lái)報(bào)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。金陽(yáng)解釋道，如果電池在500°C左右工作，需要通過(guò)陶瓷焊接進(jìn)行密封，成本較高。而在200°C左右的條件下，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)耐高溫的特性為電網(wǎng)儲(chǔ)能的情景下提供了更多的安全保障?！笩o(wú)論電池體系做多大，運(yùn)行功率多高，即使瞬間溫度提高到四五百度，也沒(méi)有任何問(wèn)題，因?yàn)樘沾墒窃谝磺Ф喽鹊沫h(huán)境中燒結(jié)出來(lái)的。此外，如果運(yùn)行溫度突然下降，電池也會(huì)完全停止運(yùn)行，重新恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)行溫度後，電池可以續(xù)接啟動(dòng)?！菇痍?yáng)說(shuō)。

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儲(chǔ)能電站助灣區(qū)緩解用電需求

中國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重依賴(lài)煤電資源的國(guó)家，隨著碳達(dá)峰、碳中和「30·60」目標(biāo)的提出，新能源＋儲(chǔ)能已是大勢(shì)所趨，截至目前，已經(jīng)有17個(gè)省份和地區(qū)出臺(tái)相關(guān)政策，要求新能源裝機(jī)配置儲(chǔ)能。

「儲(chǔ)能能夠有效助力中國(guó)能源轉(zhuǎn)型?！菇痍?yáng)說(shuō)，中國(guó)雖然新能源發(fā)展迅速，裝機(jī)量處?kù)独洗蟮匚?，但發(fā)電量卻處?kù)侗容^低的位置。這涉及到一個(gè)消納問(wèn)題，「新能源發(fā)出來(lái)的電非常不穩(wěn)定，不少都被浪費(fèi)掉了。而這時(shí)候就需要儲(chǔ)能電站來(lái)對(duì)電能從時(shí)間以及空間上進(jìn)行平移，可大大提升新能源利用效率?！?/p>

「儲(chǔ)能電站可以放在城市周邊以及新能源發(fā)電側(cè)，起到一個(gè)輔助調(diào)解作用。當(dāng)電能過(guò)剩時(shí)可以將多餘的電存起來(lái)，當(dāng)電能不足時(shí)，可以釋放出來(lái)，以緩解用電供需矛盾。比如我們國(guó)家正在建設(shè)的大灣區(qū)，對(duì)電力的需求以及依賴(lài)都比較高，更需要這種巨大的充電寶來(lái)對(duì)其電能進(jìn)行調(diào)節(jié)平衡。」金陽(yáng)說(shuō)。

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31歲中國(guó)科學(xué)家研新型儲(chǔ)能技術(shù)　居世界前列

大公文匯全媒體記者劉蕊河南報(bào)道：作為支撐可再生能源發(fā)展的核心環(huán)節(jié)，儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)成為科學(xué)界與商界共同追逐的「熱門(mén)賽道」。鄭州大學(xué)31歲副教授金陽(yáng)發(fā)明的新型固態(tài)電解質(zhì)熔融鋰金屬電池體系，有望改變電網(wǎng)儲(chǔ)能行業(yè)的技術(shù)格局。

金陽(yáng)表示，目前電化學(xué)儲(chǔ)能是主流，其中90%是鋰電池，但安全問(wèn)題一直未被有效解決。金陽(yáng)的想法是用陶瓷管做固態(tài)電解質(zhì)，「陶瓷就跟石頭一樣，不會(huì)著火，更加安全?！箲{藉該項(xiàng)研究，金陽(yáng)2020年入選「35歲以下科技創(chuàng)新35人（中國(guó)榜單）」，由《麻省理工科技評(píng)論》評(píng)出，入選者的項(xiàng)目代表全球最前沿科技研究。

金陽(yáng)告訴記者，儲(chǔ)能技術(shù)是提升新能源利用效率，調(diào)配電力使用的重要環(huán)節(jié)，能夠助中國(guó)能源轉(zhuǎn)型一臂之力?！感履茉窗l(fā)電不穩(wěn)定，儲(chǔ)能電站可以提升新能源利用效率?！菇痍?yáng)以大灣區(qū)為例，表示該處對(duì)電力需求高，很適用這種「巨大的充電寶」進(jìn)行調(diào)節(jié)。

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開(kāi)發(fā)氫氣探測(cè)預(yù)警 防止熱失控發(fā)生

金陽(yáng)表示，儲(chǔ)能技術(shù)是提升新能源利用效率、調(diào)配電力使用的重要環(huán)節(jié)，能夠助力中國(guó)能源轉(zhuǎn)型強(qiáng)有效。受訪(fǎng)者供圖
在入職鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院之後，金陽(yáng)在院領(lǐng)導(dǎo)的支持下成立「鄭州大學(xué)電網(wǎng)儲(chǔ)能與電池應(yīng)用研究中心」，並擔(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)。

金陽(yáng)計(jì)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)管理的複雜度。

在推進(jìn)研究過(guò)程中，金陽(yáng)從實(shí)際需求出發(fā)，首先解決了目前儲(chǔ)能電網(wǎng)中存在的安全隱患，也就是充放電過(guò)程中鋰枝晶析出帶來(lái)的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。金陽(yáng)開(kāi)發(fā)出一種氫氣探測(cè)的微量鋰枝晶析出靈敏檢測(cè)方法，可以比熱失控早10分鐘發(fā)出預(yù)警信號(hào)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微量鋰枝晶析出的時(shí)候，會(huì)和石墨負(fù)極聚合物黏結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生氫氣並溢出電池。

修訂儲(chǔ)能電站消防安全標(biāo)準(zhǔn)

「也就是說(shuō)，在電池溫度沒(méi)有異常的情況下，非常少量的鋰枝晶析出也會(huì)觸發(fā)氫氣探測(cè)器報(bào)警。」為了進(jìn)一步驗(yàn)證該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的有效性，研究人員在實(shí)際儲(chǔ)能艙中開(kāi)展了鋰離子電池單模組過(guò)充實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，氫氣相比於其他氣體能夠最早被探測(cè)到，且探測(cè)時(shí)間比出現(xiàn)濃煙早639秒，比模組起火早769秒。

目前，江蘇省某儲(chǔ)能電站已經(jīng)安裝了氫氣探測(cè)器，金陽(yáng)團(tuán)隊(duì)還參與修訂了鋰離子電池儲(chǔ)能電站的消防安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定新建設(shè)的儲(chǔ)能電站必須配備氫氣探測(cè)器以確保安全。

金陽(yáng)，31歲，鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，博士，博士生導(dǎo)師。河南省電網(wǎng)儲(chǔ)能與電池應(yīng)用學(xué)科創(chuàng)新引智基地負(fù)責(zé)人，鄭州大學(xué)青年拔尖人才，河南省電工技術(shù)學(xué)會(huì)常務(wù)理事。2008年至2012年本科就讀於鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，後保送至西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院電力設(shè)備與電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩博連讀，師從鄭曉泉教授。2014年至2016年獲得國(guó)家留學(xué)基金委公派留學(xué)資助赴美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）和史丹福大學(xué)（Stanford University）進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)博士學(xué)習(xí)，在MIT李巨教授和史丹福大學(xué)崔屹教授的指導(dǎo)下進(jìn)行鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)的研究。2017年入職鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院。

憑借「固態(tài)電解質(zhì)熔融鋰金屬電池體系」研究，金陽(yáng)在2020年入選「35歲以下科技創(chuàng)新35人」（Innovators Under 35）中國(guó)榜單。該榜單由《麻省理工科技評(píng)論》全球青年科技領(lǐng)袖峰會(huì)評(píng)出，入選者涵蓋了全球最前沿科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的研究，代表著中國(guó)科技發(fā)展中崛起的新興力量。

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