锌空气电池和下一代硅锂电池研究应用

近日，加拿大滑铁卢大学锌空气电池第一人陈忠伟博士发表了题为《锌空气电池和下一代硅锂电池研究应用》的演讲报告，以下是演讲报告实录：

大家好，很荣幸能有机会到工业界的论坛来讲一下学术方面的问题，今天我首先第一个讲一下我们在锌空气电池方面的技术和产业化方面的问题。第二个，我们做了很多硅基锂离子电池的应用和研究，所以今天也跟大家讲一下这方面的研究。

我原来是在加州大学上的博士，2008年之后到了滑铁卢大学担任教授职位，滑铁卢是在加拿大的滑铁卢，滑铁卢离多伦多一个小时车程，离纽约七八百公里，到芝加哥也非常近。滑铁卢大学在西方是一个比较年轻的大学，它是1957年建校。这个大学建校有两个特色，第一个特色，它的本科教育是要五年完成的，本科生有两年必须在企业或者科研院所进行实习才能拿到学士学位，所以毕业生最大的好处是企业非常喜欢，因为他知道企业需要什么。

然后滑铁卢还有一个非常特别的地方，就是我们的专利权它是属于教授跟科研人员的，学校不参与专利的争夺权，完全属于教授。正因为这个政策，导致了滑铁卢其实是加拿大的高科技三角区，有几百家高科技创业公司在那里。特别有一个东西大家都知道，黑莓手机，其实是由滑铁卢的一个本科生创办起来的，曾经辉煌过，现在不怎么样了，但是他那个创业氛围还是非常重的。

我是属于化学工程跟机械工程的教授，我们其实是加拿大最大的工程学院，也是北美最大的工程学院之一。我还是属于纳米工程学院的教授，我们是北美第一个有本科纳米工程的学校，这个楼是我们那个黑莓校友花了1.6亿美元捐助建的，里面有最先进的纳米技术，纳米材料的表征设备，对我们电池材料的研究帮助也非常大。

我的课题组主要是做高能材料，高能材料你看这图上面，能源材料有三个方面的应用，第一个应用是燃料电池，我在美国加州读博士的时候我是做燃料电池的，然后2008年加入滑铁卢大学之后，我们同时开始做锂电池，包括锂离子电池，还有钠离子电池，同时还做了锌空气电池的研究。

这是我们在滑铁卢的团队，40个人左右，我们锂电池主要是跟通用汽车公司合作。燃料电池主要是跟巴拉德公司合作，其他的一些包括美国能源部的项目，现在我们有两个正在做。

今天首先讲一下锌空气电池我们最新的进展。这个能源非常重要，大家都知道，特别是锂电池。主要的应用是集中在这几个方面，第一个方面就是交通，还有一个更大的市场现在正在展开，就是新能源的储备，比如风能、太阳能，还有跟国家电网连在一起的大规模储能，这是必须解决的问题，因为我们要把垃圾电变成优质电，必须有大规模的电能储备。还有可穿戴式电源。

谈到电池技术的话，有几个参数是比较重要的，左上角是能量密度，右上角是功率密度，左下角是寿命，右下角，最重要的一个，是成本。这四个参数决定了你这个电池能够适应什么样的市场，能不能占领市场。在现阶段的话，特别是电动汽车的推广方面，还有手机电池，笔记本电脑电池这方面，对能量密度的要求显得尤为重要，比功率密度更重要。

所以现在许多学术界主要的研究就是怎么进一步提高它的能量密度，这是首要任务。在提到能量密度的同时，你必须让这个电池有足够长的寿命，这是非常关键的。然后还有成本，这几个因素基本上缺一不可。提到能源非常重要，我们就来谈一下为什么我们当初选择了锌空气电池，锌空电池，金属空气电池，现在主要有两个研究方向，一个就是锌空电池，还有很多学术界集中在锂空电池的研究上。为什么大家锌空电池和锂空电池很兴趣呢？因为它的能量密度比较高。正因为能量密度特别高，所以特别关注，大家都认为这是下一代的电池技术。

我们看一下七年前，2009年的时候，我开始做金属空气电池，我们做了一个分析，为什么需要做锌空呢，看这个表格，我们有不同的金属包括氢气，这些能量密度都非常高。但是比如像煤铝，还有铁，由于它的化学特性，决定了它不可能，就排除掉了。就剩下锌跟锂，如果比较它的体积能量密度，锌比较高，它们各有优缺点。所以基于这个考虑，我们当时想觉得锌也是很好的。

比较锂空跟锌空，锌空更加趋向于现实，因为市场上注氢，纽扣电池都是用锌空电池，它能量密度高，但是这个是一次性技术，它是锂离子的两到三倍可以做到。也就是说在市场上已经可行，只是不能充放。还有比较锂电池？它活性比较高，你用的时候会增加材料上的许多麻烦，这是很难克服的。正因为由于这个，我们当初决定做锌空电池而不是锂空电池。

我们总结一下锌空电池电池的优势，第一，它能量密度比较高，理论上是五倍，现在市场上可以做到两到三倍一次性的话。还有其鲁教授提到，铅酸电池污染非常大，但是锌空电池基本上没有什么污染，它对环境非常友好。而且没有危险，用水箱电解，这是它的一个很大优势。

还有就是材料非常便宜，跟锂比。还有锌的全球储量是非常大的，即使以后大规模应用的时候，它价格不会波动。

接下来看一下锌空，既然这么好，看一下工作机理，现在所有的电化学能源都是非常简单的，锌空是燃料电池跟电池的结合体，它的工作机理很简单，现在这个是放电，放电的反应是什么反应呢？我们叫它氧还原反应，它是放电的状态，氧气变成水，这是放电。当然了，还有充电，点就是把它倒过来，倒过来就是变成氧气跟水，提供电，这就是充电。氧气反应跟传统的是不一样的，这个氧气反应是非常缓慢的反应，我们为了加速它的反应，就必须有一种很好的催化剂来提升它反应的速度，提高它的效率。所以锌空电池的第一个挑战，可充放，你必须寻找或者发明一种活性非常高，又非常稳定的催化剂，能够让这个反应尽快地进行。

也就是锌空电池的第一个挑战，我们必须解决的问题，就是氧气电解催化剂怎么解决？锌空充放过程中，它氧气反应，比如充电的时候电位比较高，但是催化剂中往往有许多碳，容易发生腐蚀，锌空的可充放电池一直没有实现的其中一个原因，这个问题必须解决。

还有一个更大的问题，是锌资金的问题。基于这两个问题，根据我们自身的研究，我们设计了一种新型的氧气催化剂，来适合于反应的进行，我们设计这个氧化剂是处于纳米工程的考虑，我们在2010年的时候，成功地开发了双功能催化剂，它是怎么做的呢？我们先做成金属氧化物的半搀杂的纳米化，这个催化剂的好处，由于这两种材料的有机结合，你能够显示很高的活性，它的氧催化活性比铂还高。在充电的时候它的活性和稳定性也非常高。

看一下我们的结果，我们发展出来的催化剂非常稳定，而且性能也很好。比较一下蓝色和红色，蓝线是铂，铂是白金催化剂，白金催化剂初始的催化性能不错，但是它的稳定性能差。还有一种稀有金属它的稳定性也不行，我们这种催化性稳定性很好，活性也很好。然后看一下电池的充放，左下图是三千个循环，基本上没有什么衰退。看一下右上图，是一千小时，基本上也没有什么变化。有这个结果之后，当时我们就认为，我们基本上第一次解决了双功能催化剂在锌空电池上的应用，所以这个问题解决了。

所以接下来的问题，我们同时做三维电极结构的催化剂，这个也非常稳定，这是我们正在开发的。

还有就是第二个最大的挑战，是锌资金，怎么解决它的问题呢？把锌电极做成多孔电极，为什么做成多孔电极呢？两个原因，一个我们做成多孔电极之后，因为它的比表面积高，它的能量密度会很高。第二个，形成这些孔之后，我们希望锌资金不要一下跑到表面上来，把电池穿刺了，往孔里长。所以这个方法初始阶段是比较有效的，但是这个方法还是没有解决锌资金的问题。

然后我们有一系列的专利，这个是模块化，全部是集装箱型的，而且我们有很好的设计思路，跟传统市场上所有的锌空电池设计是完全不一样的，而且我们认为我们真正地解决了这两个问题，市场上其他的许多锌空电池的公司是机械式更换芯片来实行充换。当然锌空电池有一个很大的缺陷，它的能量密度下来了，所以我们市场就不一样，我们针对大规模储能市场，因为它对成本的要求高，对能量的要求没有那么高。

看最后一个表，十年的使用成本，我们可以做到4到8分钱每千瓦时，价格是最低的。我们针对的市场是什么呢？看这个报告，2014年全球的电池市场1600亿美元，将近1万亿人民币。根据预计，在2020年的时候，应该能达到3200亿美元，为什么呢？大规模储能它的共性会非常大，现在所有的风能、太阳能必须有电池的储备在那里。所以这个市场的增长是非常大的，对大规模储能电池的要求，需求量以后会非常大。

我们主要是针对这个市场，当然了，我们并不是说放弃了原来的思路，因为我们原来是准备用在动力电池上，利用锌空的高能量密度，所以我们也继续投入力量，想办法解决锌资金的问题，如果能解决，可以取代很大一部分的动力电池的市场，这是我们以后的目标。

接下来讲一下硅基锂离子电池的发展，上个星期刚刚接到一个通知，叫我们去全球百大科技奖，我们的拍档去了，我没办法去了。我们硅基锂离子电池实现了什么东西呢？比如硅，其鲁教授已经提过，这个硅材料很好，为什么呢？因为它的能量密度非常高，硅可以达到4200，现在碳材料是372，也就是理论上可以达到10倍以上。好东西绝对有缺陷，什么缺陷呢？它充放过程中，体积收缩变化非常大，电极很容易崩溃。

怎么维持电极的稳定性？提高电池的寿命，这就是硅材料必须解决的问题。我们要给它做一个笼子，把这个硅放在笼子里面，让它不要到处乱串，电极让它不要变形，那样电极稳定，电池寿命就好了，这是我们的思路。当然这个我们结合了其鲁教授介绍的石墨烯，也就是我们实验室自己形成了很完善的制备工艺，我们有自己的石墨烯制备办法，还做了硫搀杂石墨烯，当然了石墨烯只是作为一个辅助材料，不是主要材料。

经过这个工艺，把它混浆之后，进行一定的低温处理，我们可以在电极的初始容量3.5毫安的情况下，第一圈的循环效率是86%，这是文章上的数据，可以循环寿命达到2000个循环以上，这个是我们的贡献，就相当于真正地达到了可以跟正极材料匹配的硅电极，利用这个硅电极可以把负极变薄了。如果你进行这个核算，我们滑铁卢2015年8月份利用硅电极制备的电池能量密度可以提高40%。所以我们最终要达到提高60%，这是我们的目标。