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潜心水系电池探索 推进新型储能应用

来源:  发布时间:2024-02-01

  ——记郑州大学物理学院教授李新亮

   张 闻  谢明昊  

  

  能源是人类社会发展的动力。近年来,随着全球“碳达峰、碳中和”发展目标的确定,基于可再生能源利用的大规模储能和新能源汽车的普及推广也成为发展的必然趋势,人们对于安全、环保、高能量密度、低成本电池的需求愈加迫切,这也对科学家们探索新一代电池提出了更高的要求。在这一背景下,水系锌离子电池因为高安全、低成本和环境友好等特性被认为是极具潜力的可持续储能技术之一。郑州大学物理学院教授李新亮的研究方向就与这一领域密切相关。

  多年如一日,李新亮脚踏实地投身在科研工作中,在水系电池/卤素电池储能体系,以及电磁波吸收/屏蔽器件研发中取得了一系列创新性科研成果。“有幸的是,我的个人研究兴趣与国家战略发展需求相契合,为此攻坚克难,求是担当。”他说。


脚踏实地,一步步走上科研道路


  凡事都要脚踏实地去做,为之则易,不为则难。李新亮的科研之路更像是大多数普通学子的写照。2011年他考入郑州轻工业大学物理与电子工程专业,储能方向的研究在当时并不算热门。大学阶段,他怀揣梦想的同时,感受到更多的是迷茫。

  随着对于储能研究的深入学习,李新亮逐渐发现这一领域的科研成果是切切实实能够落地进行应用转化的。为了能够更深入学习相关领域的科研知识,本科毕业后他又相继在西北工业大学、香港城市大学攻读硕士和博士学位。也正是在之后的阶段,他遇到了对自己科研生涯有着重要影响的殷小玮教授、支春义教授。

  李新亮直言,自己本科毕业后经历了一段迷茫的时期,正是在硕士生导师殷小玮教授的指导下,将研究方向定在了抗辐射材料,一步步走上了科研的道路。在香港城市大学期间,李新亮在博士生导师支春义教授的指导下,将抗辐射材料研究与储能课题相结合,开展安全储能和柔性可穿戴电子相关的研究,以服务于国家在民用和重要领域的潜在需求。除此之外,攻读硕博学位期间,两位导师给李新亮提供了十分自由的科研环境,让他能够发挥自己的主观能动性,在兴趣的驱使下不断探索前行。“一开始,我对于科研的规划与未来的目标是模糊的,正是在他们的一步步引领下,我成长了许多,没有他们的帮助,我想我没什么机会走上这条科研之路。”李新亮说。

  为了让自己所做的科研工作尽快落地,博士毕业后,李新亮加入香港城市大学-香港大锌能源有限公司从事安全储能科学研究。李新亮深知:从实验室到企业应用还有很长的路要走,特别是实验室的研究成果到大批量产品生产这一过程中,会遇到诸多“放大型”问题与困境。而在香港大锌能源有限公司工作的这段时间,李新亮尝试将科研工作从问题导向到研究导向、应用导向进行了转变,这为他今后的科研选题提供了更为全面的视角。


立足现状,创新水系电池研究


  20209月,中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标。

  在新能源成为趋势的今天,电池已广泛应用于新能源汽车、消费类电子设备及各式储能电源系统中。在这一社会背景下,李新亮肩负科研人员的责任,迫切想要在相关领域中做些什么。

  众所周知,新能源汽车中广泛应用的锂离子电池,具有能量密度高、体积小、重量轻、使用寿命长等优点。然而,锂电池要求极高的密封性,尤其是在服役期间要隔绝水氧环境,一旦电池遭遇诸如碰撞、挤压等破坏电池封装的突发情形时,电芯极有可能触发一连串链式放热反应,甚至起火爆炸……在这一背景下,李新亮认为开发更具安全性、更绿色、更稳定的水系电池来满足极其注重电池安全特性的安全储能领域的需求刻不容缓,尤其是与人体直接接触的可穿戴电子甚至内植入型医疗设备。

  李新亮介绍说,水系电池作为一种新兴的电池技术,具有内在的安全性和快速充放电能力,能够延长电池的使用寿命和让电池具备应对多种严苛储能/供能情景的能力,在可再生能源储存系统、电动车辆和便携式电子产品等领域具有广阔的应用前景。“所以我们现在研究的主要方向就是通过研发水系电池,以填补当前锂离子电池不适用的安全储能市场的供应链空白,同时在未来的研究中,我们也考虑将复杂电磁/红外背景下的辐射问题纳入服役安全性的动态评估范围之内。”他说。

  在这一过程中,李新亮和研究团队首先对水系电池进行了整体设计,以确保电池各部分组件的高度适配。其次,他们引入了温度和电压监控系统,以及过电流和过压保护装置,实时监测电池运行状态,追踪异常情况的发生。此外,他们还通过电极和电解质的改性,在提升电化学性能的同时减少水系电池服役过程中可能的副反应,从而提高水系电池的安全性和稳定性。

  水系电池中的电解质载体——水是一种低成本、可再生且环境友好的溶剂,相较于传统有机电池中的有机溶剂,水具有内在的安全性,并且成本更低,对环境的影响小。此外,水系电池还具有可再生性,水和金属盐是可再生资源,通过再生或回收利用可以降低资源消耗,并减少对稀有金属的需求。然而,以水作为电解质,有一个弊端,那就是水的稳定电压窗口较窄,而且可能与电极发生副反应,尤其是金属负极端,导致电池服役寿命的降低。在相关研究成果的基础上,李新亮也致力于开发新型高能量密度卤素电池。

  由于卤素具有氧化还原电位高、成本低、资源丰富等优点,在电极材料中表现出极大的应用前景。在这一背景下,李新亮团队提出了一种高效的电解液调制策略来实现卤素在转化型储能体系中的可逆多价态转变,并选取更为安全的卤化盐作为活性卤素源替代传统卤素单质作为概念验证,构建了前所未有的基于多电子转化化学的高性能卤素转化电池。值得一提的是,他们通过一系列科研探索,成功将卤素电池的能量密度提升到原始数值的200%以上,显著提升了卤素电池储能能力。此外,李新亮团队开发的新型氧化还原机制表现出卓越的低温适应性,极大地拓宽了卤素电池的应用场景。


放平心态,推进科研攻关


  科学研究,久久为功。李新亮深知,水系电池性能的提升不是一蹴而就的,有时候一项性能的测试可能要一年或者几年才会看到成效,其中必定会遇到一系列问题。“遇到问题时,首先我们一定要广泛地阅读文献,吸取他人的经验和教训,其次一定要和自己的导师、同事相互探讨,进行头脑风暴,总是会有收获的。”李新亮说。

  2023年,对于李新亮来说是人生新的转折点,这一年三十而立的他回到了自己的故乡河南,来到了郑州大学物理学院开展科研工作。“总是要有人回来填补‘科技洼地’的,我不过是其中的一分子。”他说。作为引进科研人才,无论是河南省还是郑州大学及郑州大学物理学院,在生活和科研环境方面都给了李新亮很大的支撑,帮助他消除后顾之忧。如今,半年多的时间,他在马不停蹄组建自己科研团队的同时,也根据自己的研究基础,确定了未来的工作方向。“首先,我们以提升电池的性能和稳定性为目标,针对领域内前沿方向和开放科学问题制订一些探索方案,通过大量的科研实践,去判断相关方案是否具有可行性。在此期间,如果能够切实解决一些技术难题,提出一些基础创新理论模型,推进领域向前走一小步,就再好不过了。”他说。

  路漫漫其修远兮,在水系电池技术开发探索中,失败和挫折是再平常不过的事,但李新亮始终坚信付出总会有收获。在不久的将来,他希望能够打造一个独具特色的以复杂安全储能为基础的科研团队,将研究方向瞄准国家的重大科技需求,努力作出自己的贡献。“随着技术进步和经济可行性的提高,我们可以期待在未来几年内看到水系电池技术逐渐进入市场,为国家、为社会、为普通消费者提供更可靠、环保的安全能源解决方案。”李新亮满怀信心地说。
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2024年4月

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