能量寶——雙碳背景下的能源供給技術(shù)

摘 要：隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，電池產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，但目前金屬-空氣電池存在正極催化劑成本高昂、液態(tài)電解質(zhì)質(zhì)量較大、負(fù)極金屬片易被腐蝕等問(wèn)題。針對(duì)目前的技術(shù)缺陷，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了低成本高性能非貴金屬三合一氧還原催化劑和仿生固態(tài)水凝膠型電解質(zhì)，形成了質(zhì)量輕、性能優(yōu)、成本低、應(yīng)用范圍廣的新一代金屬-空氣電池，解決了上述問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：電池；非貴金屬催化劑；固態(tài)電解質(zhì)

1 作品介紹

能量寶是一款可以滿足無(wú)電網(wǎng)覆蓋下應(yīng)急環(huán)境使用需求的新型固態(tài)金屬電池，如圖1所示。它是一種全固態(tài)金屬-空氣電池，既是儲(chǔ)能設(shè)備，也是發(fā)電設(shè)備，可以完全脫離電網(wǎng)工作，通過(guò)更換負(fù)極金屬片即時(shí)補(bǔ)充能量。與鋰離子電池相比，其能量密度更高，安全性更好，使用更便捷，是“雙碳”背景下理想的清潔能源轉(zhuǎn)化裝置。

目前，送測(cè)的能量寶鋁金屬-空氣的電池能量密度為

648 W·h/kg，是現(xiàn)有鋰電池的4倍，鉛酸電池的12.5倍。該電池在跌落、撞擊的情況下均未爆炸或自燃，具有卓越的安全性。

團(tuán)隊(duì)將改進(jìn)的電池轉(zhuǎn)化為可以為民造福的產(chǎn)品：一種是便攜性高、體積小巧、操作簡(jiǎn)單的小型能量寶產(chǎn)品；另一種是小型電堆?；诔醮a(chǎn)品，我們將同時(shí)開(kāi)發(fā)軍用、民用兩類市場(chǎng)。目前產(chǎn)品在重慶大學(xué)鋰電及新材料遂寧研究院完成了第二輪小試，進(jìn)行了公斤級(jí)的原料合成。

2 技術(shù)原理說(shuō)明

金屬-空氣電池的相關(guān)研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，但至今未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。其應(yīng)用受限的原因在于兩方面：一方面是空氣中氧氣轉(zhuǎn)化需要用到如Pt等貴金屬納米催化劑，成本極高；另一方面，電池內(nèi)部需要使用強(qiáng)堿性的液態(tài)電解質(zhì)，危險(xiǎn)性高且重量大。

2.1 低成本高性能非貴金屬三合一氧還原催化劑

為解決催化劑昂貴的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)合成了低成本、高性能的三合一氧還原催化劑。該催化劑的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于血液中運(yùn)輸氧氣的血紅蛋白分子。我們用血紅蛋白改性的血晶素，合成出了無(wú)需Pt等貴金屬的催化劑。相較于現(xiàn)有貴金屬催化劑600元/g的成本，我們開(kāi)發(fā)的催化劑在相同性能下，成本僅22.8元。在進(jìn)一步的探究中，我們提出了全新的催化劑合成思路，將血晶素內(nèi)的碳碳雙鍵進(jìn)行高聚反應(yīng)或者進(jìn)行烯烴復(fù)分解，形成一條σ鍵和Π鍵均有的長(zhǎng)鏈，作為氧氣和氧負(fù)離子的離子導(dǎo)體和電子的電子導(dǎo)體，合成“三位一體”的高聚物氧還原催化劑，如圖2所示。相較于現(xiàn)有的商用電極催化劑合成方式，該催化劑無(wú)需導(dǎo)電劑和粘合劑，在節(jié)約成本的同時(shí)，可以將血晶素的反應(yīng)位點(diǎn)充分暴露出來(lái)，快速將空氣中的氧氣、凝膠中的水分和電子結(jié)合生成氫氧根，高效完成氧還原反應(yīng)。

2.2 仿生固態(tài)水凝膠型電解質(zhì)

我們開(kāi)發(fā)了基于仿生固態(tài)水凝膠電解質(zhì)，如圖3所示。

利用高分子有機(jī)物膠連出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在凝膠電解質(zhì)體系中，得益于氣體和水通道（如圖4），水和氧氣作為電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)物被及時(shí)傳輸?shù)交钚灾行模Ｕ涎踹€原反應(yīng)的快速發(fā)生；將正極產(chǎn)生的堿性物質(zhì)及時(shí)傳導(dǎo)出催化層，避免了鋁空氣電池因濃差極化而產(chǎn)生額外的過(guò)電勢(shì)，影響放電效果。

仿生高分子有機(jī)物添加劑使鋁離子從鋁片中釋放出來(lái)后先被電解質(zhì)里添加劑中的羧基捕獲，然后在稍遠(yuǎn)離鋁片的位置與氫氧根發(fā)生陰離子置換。

為了篩選最合適的有機(jī)物添加劑，我們做了一系列實(shí)驗(yàn)，面對(duì)數(shù)百萬(wàn)種有機(jī)物催化劑，它們的性質(zhì)無(wú)法被準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，所以實(shí)驗(yàn)效果并不理想。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人許耘浩在李存璞老師和魏子棟老師的指導(dǎo)下，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)分子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)分子多方面特性的算法，相關(guān)研究成果近期發(fā)表于化工頂級(jí)期刊《ALCHE JOURNAL》。在此算法的幫助下，我們從數(shù)百萬(wàn)種有機(jī)分子中篩選出了最合適的有機(jī)催化劑，解決了氫氧化鋁沉淀在鋁片表面沉積造成鋁片鈍化的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了金屬片的有效利用。同時(shí)，仿生固態(tài)電解質(zhì)材料傳質(zhì)性能優(yōu)異，對(duì)環(huán)境友好，不會(huì)產(chǎn)生任何污染和額外碳排放。

3 作品創(chuàng)新點(diǎn)、應(yīng)用前景和市場(chǎng)

本作品的創(chuàng)新點(diǎn)在于設(shè)計(jì)合成了非貴金屬三合一氧還原催化劑；開(kāi)發(fā)了仿生固態(tài)水凝膠電解質(zhì)，并基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)分子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)分子多方面特性的算法，用以篩選最合適的有機(jī)物添加劑。

在“雙碳”政策的背景下，以光伏、風(fēng)電為主的“綠電”將成為“十四五”電力發(fā)展的主流，加速推動(dòng)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型。基于此類初代產(chǎn)品，我們將同時(shí)開(kāi)發(fā)軍用、民用兩類市場(chǎng)。

軍用方面，能量寶可以充分發(fā)揮安全性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，替代使用不便的手搖發(fā)電機(jī)和容量低的鉛酸蓄電池，提供為大型設(shè)備供電的電堆。目前，團(tuán)隊(duì)已和軍工企業(yè)完成了初步接觸，在相關(guān)單位完成了第一輪測(cè)試，并和相關(guān)電源公司進(jìn)行了對(duì)接。

民用方面，我們將向政府提供此類產(chǎn)品，用于抗震救災(zāi)等場(chǎng)景，或向個(gè)體消費(fèi)者提供此類產(chǎn)品，以一次性充電寶的形式出售，作為鋰電池的補(bǔ)充，填補(bǔ)無(wú)電網(wǎng)覆蓋下的電池市場(chǎng)空白。

未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)行汽車(chē)動(dòng)力電池的開(kāi)發(fā)，利用能量寶安全性強(qiáng)、換電便捷、高容量等特性，滿足當(dāng)前新能源市場(chǎng)換電模式的使用需求。

我們希望打造“清潔能源-金屬儲(chǔ)存-能量寶釋放”的能源儲(chǔ)備路線。將鋁、鋅等金屬轉(zhuǎn)化為國(guó)家的戰(zhàn)略能源儲(chǔ)備，幫助國(guó)家實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略能源獨(dú)立自主；為產(chǎn)能過(guò)剩的傳統(tǒng)鋁業(yè)提供向新能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的解決方案，為“雙碳目標(biāo)”的達(dá)成貢獻(xiàn)青年學(xué)子的力量。