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低速電動車及新能源電網(wǎng)的迅速發(fā)展加大了對低成本新型電池的需求，目前鉛酸電池以其成熟的技術(shù)及低廉的價(jià)格占據(jù)了低速電動車動力電源、燃油車啟動電源的絕大部分市場份額。但廢舊鉛酸電池給環(huán)境帶來巨大的污染隱患，我國已明確制定了逐步替代鉛酸蓄電池的政策。然而，由于商品鋰離子電池的較高成本，造成其在低成本電池領(lǐng)域的發(fā)展受限。因此，建立低成本、高效能的電池體系是加速無鉛化步伐的關(guān)鍵?！ 恿﹄姵靥幵诎l(fā)展的黃金階段，提前進(jìn)行新型低成本高性能電池體系的布局，搶奪基礎(chǔ)研究及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的制高點(diǎn)是我國在未來幾十年能源爭奪戰(zhàn)中保持領(lǐng)先的關(guān)鍵?；谇捌谠诟吣芰棵芏裙虘B(tài)鋰電池中取得的進(jìn)展，依托中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所建設(shè)的青島儲能技術(shù)研究院，以新型電池關(guān)鍵材料的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化方面為切入點(diǎn)，多年來進(jìn)行深入系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，最近已取得階段性進(jìn)展。
在中國工程院院士陳立泉的指導(dǎo)下，青島儲能院首次發(fā)現(xiàn)超高濃度有機(jī)金屬鹽基電解液可有效改善鋅電池充電效率低和循環(huán)壽命差的弊端，據(jù)此開發(fā)出了長循環(huán)壽命、高能量密度新型鋅二次電池(Electrochem. Commun., 2016, 69, 6)。同時(shí)，創(chuàng)新性地通過多價(jià)骨架電極新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，將鋅電池器件的有效充電大大縮短(ACS Appl. Mater. Interface, 2015, 7, 26396)。電極-電解液的兩相界面相容性一直以來是鋅二次電池的應(yīng)用和基礎(chǔ)研究的難點(diǎn)，青島儲能院首次利用熱可逆凝聚合物突破了該技術(shù)瓶頸，并創(chuàng)新性地提出了“低溫自修復(fù)”的理念，解決了電池界面的失效問題(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 7871)。
基于前期的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)，青島儲能院已經(jīng)突破鋅電池集成和中試裝備方面的技術(shù)瓶頸，成功開發(fā)出大容量、低成本的新型鋅二次電池，器件能量密度> 40 Wh/kg，循環(huán)壽命> 500次，成本< 0.7 元/Wh，并通過國標(biāo)要求的穿釘及擠壓等苛刻實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明性能優(yōu)異的新型鋅電池有望應(yīng)用于低速電動車動力電源、規(guī)模儲能及柔性儲能器件特種領(lǐng)域。
鎂二次電池是低成本電池?zé)o鉛化的另一重要解決方案。青島擁有豐富的鎂資源優(yōu)勢，具有發(fā)展鎂電池得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。然而，鎂二次電池目前的瓶頸問題在于缺乏穩(wěn)定、無腐蝕性、寬電位窗口電解液體系。青島儲能院創(chuàng)新性提出了硼基大陰離子鎂基電解質(zhì)的設(shè)計(jì)理念，并以此為指導(dǎo)合成了具有高離子電導(dǎo)率、非親核性、寬電化學(xué)窗口等優(yōu)異性能的鎂系電解質(zhì)體系，構(gòu)建了高能量密度鎂電池體系(Adv. Energy Mater., 2017, 1602055; Small 2017, 1702277; Electrochem. Commun., 2017, 83, 72; J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 2277)。在電化學(xué)機(jī)理方面，揭示了鎂基電極材料形成能變化以及晶體結(jié)構(gòu)演變，為深入理解鎂二次電池快速動力學(xué)轉(zhuǎn)化的具體反應(yīng)路徑與機(jī)制奠定了基礎(chǔ)(Adv. Funct. Mater., 2017, 10.1002/adfm.201701718)。該新型鎂二次電池設(shè)計(jì)理念為未來低成本電池的發(fā)展提供了新思路和方向。
新型鋅、鎂二次電池的前瞻性技術(shù)研究勢必加速推動低速電動車及低成本電池相關(guān)領(lǐng)域綠色無鉛化的進(jìn)程，為山東乃至我國工業(yè)綠色發(fā)展做出重要技術(shù)貢獻(xiàn)。
上述研究項(xiàng)目得到國家杰出青年基金、青島市儲能基金和青島能源所“一三五”項(xiàng)目的大力支持。
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