锌离子电池最大难点被攻克而这家企业早已实现产业化

  水系锌离子电池被认为是最具潜力的可持续储能技术之一，但因其面临着枝晶生长、析氢、腐蚀等问题，限制了电池的循环寿命，影响了其产业化进程。

  5月23日，科技日报记者从华北电力大学获悉，该校能源动力与机械工程学院储能电池材料与应用技术研究所所长、材料科学与工程教研室主任田华军教授团队通过低成本、快速、通用的合成技术，制备出的三维锌基合金界面材料能有效抑制电池负极表面的枝晶生长等，助力生产高安全、长循环、高性能水系锌离子电池，也为其他新型电化学储能体系的开发，提供了技术和理论指导。相关研究成果近日发表在国际学术期刊《自然·通讯》上。

  与锂电池采用高度可燃性的有机电解液不同，水系锌离子电池主要用水作为电解液溶剂，因此不存在锂电池的可燃、易爆等问题，具有安全性高、环保性好、成本低等优势，在电子设备和储能系统中广受关注。但是作为负极的金属锌，在水系电解液中存在着严重的枝晶、析氢、金属腐蚀等有害副反应，从而阻碍了水系锌离子电池的大规模应用。

  “我们团队研发的三维纳米结构锌基合金界面材料，用作水系锌离子电池负极材料，以解决枝晶等问题。”田华军说，新的负极材料的三维结构类似于一个个“小房子”，锌离子会自动进入“小房子”中，即优先沉积在锌基合金界面材料的三维结构内而不是聚集在表面，从而阻止了枝晶生长。同时，电解液里增加了含锌、铜等离子的溶剂，以减少水的活性，抑制析氢反应，从而解决了锌负极界面不稳定等问题，延长了锌负极的寿命。该锌基合金界面材料表面还自然形成了一层锌铜合金层，使负极电极表面强度增加、电化学稳定性增强，显著提升抗腐蚀性能。

  为了更好地研究新材料的性能，田华军带领团队开发并利用原位光学显微镜，研究低电流密度、高电流密度下三维纳米结构锌基合金界面材料的形貌演变规律，证明了该材料有利于高效调节锌沉积和溶解反应过程，使枝晶形成的可能性最小化等。

  目前，已经商业化的水系锌离子电池主要是基于碱性水系电解液的镍锌电池、锌锰电池，其应用场景包括偏远地区的微网、通信设施、楼宇备用电源等。

  “我们还通过一种低成本、快速、目前通用的合成技术，制备了一系列具有功能表面结构的三维锌基合金界面材料，获得了具有超高倍率性能、高循环稳定性、高能量密度的水系锌离子电池器件。”田华军说，该制备工艺可以在室温下进行，不需要任何煅烧处理，还可以在环境友好的水溶液中进行制备，生产和反应时间很短，只需几十分钟就能够实现，适宜未来的工业化生产。“这也使得该负极改性修饰制备材料技术，在成本可控、效益提升以及大规模生产大型高安全性的储能电池系统方面，应用前景广阔。”田华军说。

  目前，前述团队的水系锌离子电池尚无具体的性能数据，但综合各类学术信息，水系锌离子电池对比常规锂电池，具备无毒、高容量、高安全性的特点，并且比锂化学性质更稳定、原材料成本压力更低。

  循环寿命更加长是锌离子电池最常被提及的特点之一，相比锂电池当前最高8000-10000次的循环寿命，锌离子电池循环次数已经有了重大突破。2022年，美国加州大学洛杉矶分校Richard B. Kaner和伊朗塔比阿特莫达勒斯大学Mir F. Mousavi等人报道了一种水系锌基超级电池，在17000次循环后显示出96.4%的放电效率，显示出了锌离子电池的超长寿命。此外，北京化工大学材料学院陈仕谋教授团队也设计了一种水系锌离子电池，在大电流和宽温度下表现出高性能，循环寿命一般可以达到80000次。

  目前锂离子电池在各种可充电电池中显示出极高的单位体积内的包含的能量、循环稳定性和能量效率，然而，锂离子电池的致命缺陷之一是安全问题，不能弯曲、不耐高温、容易起火等安全隐忧始终没解决。相比之下，锌电池最大的优势就在于极致安全。

  水系锌离子电池的正负极材料主要是金属氧化物，相对来说比较稳定，整个体系电池也相当于是泡在水里面的，几乎不存在任何的起火爆炸的风险。稳定、安全，给锌电池带来了更多的尺寸变化与应用场景，从纽扣电池、消费电子科技类产品、电动汽车、大型储能站，都能够正常的使用锌离子电池。同时，相比锂电池会造成的镍、钴、氟污染，有机物、粉尘、酸碱污染，锌离子电池毒性更低，对生态环境污染更小，属于理想的环境友好电池。

  目前，电池级碳酸锂价格已经跌至20万元/吨，但相比锌电池，成本依然太高。锌是自然界分布较广的金属元素，据中商情报网消息，全球锌资源总储量达2.5亿吨，远高于全球锂资源储量的8600万吨。

  丰富的储量带来的是更低的成本，据长江有色消息，近期现货锌价在22000元/吨上下，仅为碳酸锂价格的十分之一。99.7优极品氧化锌报价也仅在20000元/吨左右。在回收方面，相关金属行业内也已形成完整产业链。一次性干电池甚至不需要回收，可以直接作为固体废弃物处理，技术难度较小。

  与锂离子电池一样，锌离子电池同样是一个复杂的体系，由正极、负极、隔膜、电解液、集流体、粘结剂和导电剂等关键材料与部件组成。从电池材料到电池组，锌离子电池开发首先要经历实验室内的基础研究，完成材料和配方的性能测试，然后在中试阶段基于对电池单位体积内的包含的能量等综合性能的考虑，逐渐完备生产的基本工艺，最后再投入生产。

  作为二次锌基电池，锌离子电池通常以金属锌为负极，以含有Zn2+的水溶液为电解液，正极材料则较为多种多样，目前主要有锰基化合物、钒基化合物和普鲁士蓝类似物等。锌离子电池的这些组成部分，各有优缺点。以正极材料为例，锰基化合物具有较高的放电容量和比能量，但存在锰溶解和倍率性能欠缺的问题；钒基化合物的比功率、倍率性能和循环性能较高，但放电电压过低；而普鲁士蓝类似物尽管比容量较低，但工作电压较高。

  因此在2015年，寒暑科技主要是围绕锌离子电池的正负极、集流体、隔膜等关键性材料来技术攻关。经过长时间的电池配方和生产的基本工艺改善，寒暑科技在2016年成功开发出AA圆柱锌离子电池，并在遥控玩具车、电动剃须刀等消费电子科技类产品上进行应用，这是寒暑科技锌离子电池首次实现从电池材料到产品应用的突破，也是作为消费电池，首次应用于消费电子领域。

  2017年7月，寒暑科技研发出方型叠片锌离子电池，并成功应用于两轮电瓶车，首次实现了锌离子电池在低速动力领域的应用。据魏春光博士回忆，锌离子电池刚开始组装到两轮电瓶车上时，各项指标正常，但后来在园区试跑时发现，车辆上坡动力不足，并且只能承载一个人的重量。于是研发人员再次进行多番性能提升与测试，最终使得两轮电瓶车在承载两人的基础上，在坡道地段也能加速行驶。

  同年10月，寒暑科技的锌离子产业化合作也得到进一步深化。雄韬股份与寒暑科技共同建立锌离子电池研发中心，并签订了2000万元的专利授权协议，双方合作促进锌离子电池产业化。

  与此同时，锌离子电池在两轮电瓶车的应用，只是寒暑科技在低速动力领域试水的第一步。为了拓展锌离子电池在低速动力领域的应用，寒暑科技在2018年开发出单位体积内的包含的能量更高的F型锌离子电池，并成功应用于低速四轮电动车。自此，寒暑科技的锌离子电池实现了从两轮电动到四轮电动的低速动力领域应用拓展。