论坛回顾丨陈忠伟院士：锂离子电池+金属空气电池是未来电动汽车的重要方向之一

10月19日，在“2021（第十六届）动力锂电池技术及产业发展国际论坛”上，加拿大皇家科学院院士陈忠伟作题为《可充放的锌空气电池》的主题演讲，他介绍了锌-空气电池当前存在的挑战，催化剂的设计原则和发展，电极设计等方面的问题。他指出所有技术想要实现商业化，都需要耐用和实用的电极和电解质设计。

随着人口的增长，我们对能源的需求越来越大。尤其是在过去几年中，每个人都感觉到了，极端气候增多，例如今年河南的大水，加拿大温哥华地区温度达到50摄氏度，这也是极端气候非常大的表现。极端气候增多主要是因为以二氧化碳为主的温室气体排放造成，这意味着我们需要新能量、新能源，这和我们双碳目标是一致的。

2020年9月22日，习近平主席在联合国大会上宣布，中国将采取更加有力的措施，“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。拜登承诺到2030年将美国的碳排放减半。欧盟计划到2030年至少减少55%的排放量。在这三个全球最大经济体带领下，二氧化碳排放肯定要减下来。

怎么减下来？意味着新能源的利用非常重要。新能源主要集中在太阳能、风能、核能还有水电等，新能源的利用有一个非常重要的点就是储能，储能是其中非常关键的一环。比如现在的弃风弃光比例是比较高的，为什么高？这些能源是不稳定的，要提高它的利用率，必须通过一个很好的储能系统，或者是氢能来实现目标，这样新能源的利用率才能极大提高。

储能系统或者说电池，电池主要是四个非常重要的方面：成本、能量密度、功率以及安全性。

金属空气电池已有上百年的发展历程，1878年，第一代锌空气电池已经做出来了，除了锌空气电池，还有铝空气电池、铁空气电池，还有从2008年开始非常火热的锂空气电池，到现在更多的金属空气电池的发展。

为什么大家都喜欢做金属空气电池呢？有一个非常重要的原因是金属空气电池的能量密度高，第二个原因，从安全性考虑，比如像锌空气电池或者其他一些金属空气电池，因为用水系电解液，安全性比较高。

我们团队2009年开始决定要做锌空气电池，那时候锂空气电池、锌空气电池、铝空气电池都是比较热的一个话题，我们选择锌空气电池一个很重要的原因是当时我刚到加拿大的时候，听了 Jeff Dahn（加拿大最著名的电池科学家）的一个报告《Electrically Rechargeable Metal-air Batteries Compared to Advanced Lithium-ion Batteries》（2009）。

他把锌空气电池和锂空气电池做了一个综合性的比较，锌空气电池理论能量密度可以达到4400Wh/L。从实际的比较来说，锂空气电池理论能量密度是3400Wh/L，而当时一次锌空气电池商业上已经做到1756Wh/L（金霸王DA13）,比较锂空气电池有非常大的优势。

锌空气电池与锂离子电池比较的话，锌空气电池的能力密度还是非常有优势的，比如18650那时候是 670 Wh/L，现在随着技术进步会高一些，锌空气电池的能量密度已经远远高于锂离子电池、锂空气电池。

锌空气电池能量密度更高，环境友好性也非常好，锌空气电池用的所有的包括电解、正负极材料都是没有什么污染的。安全性比较高，用的是水系电解，安全性相对传统的锂离子电池很明显。材料便宜，锌价格远远低于锂价格，锌的储量非常大，锂资源还是比较有限的，随着储能市场扩大，锂价格还是会上涨，现在大家开始考虑到用钠，锌的储量是锂的上百倍。

锌空气电池这么好，一次性电池开始得到许多领域的应用，为什么可充放的锌空气电池为什么一直没有得到发展？三个最大的问题：

锌电极：最主要会涉及到锌枝晶问题，这是锂金属电池共同面临的巨大挑战。

电解液的稳定性：传统的用的是碱性水系电解液，会涉及到空气中的二氧化碳会产生反应

空气电极：涉及到催化剂、电极本身的构造，是不是我们能发展一个很好的高效的双功能催化剂，能够对氧气反应析氧反应(OER)以及氧还原反应(ORR)有很高的活性及稳定性。

刚开始我们做了很多燃料电池方面的催化剂。而锌空气电池，因为都是涉及到氧气，空气这侧和燃料电池电极结构非常类似，唯一多了一个功能，燃料电池是ORR，而锌空气电池可充放的话需要进行OER，相当于充电的过程，也就是涉及到两个反应，这两个反应我们当初怎么选取材料？

白金催化剂是很好的ORR催化剂，另外也有很好的OER催化剂，最初我们进行的试验是将二者混合，可以取得不错的效果，但是这两种催化剂都比较贵。我们做锌空气电池非常大的一个目标是降低成本，如果用这两种催化剂，就失去了原来的很好的一个力量。

所以在设计催化剂、选取催化剂的时候，我们刚开始就选用非贵重金属催化剂，比如钴、铁、镧、锰、镍为金属氧化物基础，同时结合氮掺杂碳材料来设计催化剂。而催化剂最大的功用就是降低催化反应过程中的能垒，怎么很好的降低氧气的放电、充电过程中的能垒，我们认为基本上有四个要求：

①催化剂的比表面积需要比较高，如果比表面积不高，物质活性就不可能高。

②最佳的氧气吸收能量，太大太小都不行。

③高导电性，电化学催化剂涉及到电子的转移，和传统的催化不一样。

④高电化学稳定性。

在这个基础上，我们也考虑到了结构的生成，比如我们需要比表面积比较高的，传统的比如specific activity最高的是纳米材料，微米级的材料因为比表面面积太低，所以它的mass activity不高。但是用纳米材料会涉及到另外一个问题，如果全是5纳米、10纳米这样微小的纳米颗粒，电极制备会非常困难。

我们希望把纳米的特性和微米的特性进行很好的结合，我们叫他Nano-structured material（纳米构造材料），这样既有纳米特性，又有微米特性，在电极制备时候会比较简单。过去十年中，我们基本上的目标就是围绕提高mass activity和提高specific activity两个目标，最终设计出来一种高活性、高稳定性的 Nano-structured material。

我们的设计理念，第一代是把碳材料和金属氧化物进行整合，后来做了金属和碳材料混合型催化剂，但是我们发现只要有碳；稳定性就不够高，所以我们希望尽量减少碳的用量。尽管碳非常重要，但是能不能减少它的用量，这是我们做的第三代催化剂的方向。稳定性对金属空气电池非常重要，故现在我们在研究的是无碳材料，能够把稳定性提升到更高的一个数量级。从大的层面上涉及到形貌的设计，活性位点的工程化，催化机理的研究，整合到一起希望能够发展出可以商业化应用的金属空气电池催化剂。

我们最早的一类工作是将LaNiO3和NCNT进行整合，我们希望在化学合成的基础上形成一个复合型结构，可以实现很好的催化活性和稳定性。我们合成了CCBC催化剂，通过耐用性测试发现，CCBC催化剂即使在1000小时后也很稳定，而铂金在70小时后才降解。寿命循环可以做到3000个循环。

我们也研究了二维的催化材料，金属氧化物和金属结合、和类石墨性材料结合，使得活性和稳定性得到进一步提升。

除了含碳催化剂，我们还进行了氧化钛结合氮掺杂的无碳催化剂研发，这个催化剂设计了一个很好的孔道的设计，非常有助于传质。在这个基础上，我们进行了这类无碳催化剂的活性和稳定性测试，发现活性位点在充放电过程中价态会发生变化。

此外，在材料基础上，电解性能好坏，非常依赖电极组分和孔道、亲水性/憎水性影响。因此，我们对电极三维构造进行了探索。

第一代电极，我们希望电极材料，催化剂能够直接长到集流体上，跟传统喷涂相比能够提高导电性、传质性。我们合成了一种头发状的材料，经过测试，这种催化剂稳定性非常高，且这类电极带有柔性。我们在实验室中把它做成了一个小的柔性电池。

催化剂活性位点很重要，我们催化活性位点定位不明确，研究过程中我们提出三个问题：

1. 电池充放电过程中，初始态的催化剂材料是不是保持原样？

2. 在催化反应过程中，催化剂表面是不是有重构发生？

3. 氧气反应过程中，哪个是真正的活性位点？

带着这三个问题，过去几年，我们选取钴铁氮为基础材料的催化剂，以期看到充放电过程到底是什么状态，发现钴是真正的活性位点，铁活性不高。得到结论：相变发生在界面上，而块状区域保持不变。

催化剂是动态催化过程，活性层非常重要，核也非常重要，是一个复合型设计。而通过活性位点机理的初步计算，进一步证明充放电过程中，活性位点是发生改变的，特别是钴的价态。最近我们也对氮元素催化剂做了一系列研究。

过去十余年对空气电解催化剂和电极已有大量的探索，但锌空气电池到现在还未被大范围应用，我认为接下来的挑战在于电解质。

锌电池的混合电解质，所实现的锌枝晶抑制，可以初步达到锌空气电池未来产业化的寿命要求。新型凝胶聚合物电解质是下一代重点开发的对象，完全可以达到目前的需求。

在过去几年，2009年开始研究催化剂和电极的发展，2018年在滑铁卢大学我们有个团队在做电动汽车的示范，锌空气电池与锂电进行了很好的整合初步应用于电动汽车；现在我们有些精力放在放大上，但总体而言还处于初级阶段，未来是否成功，取决于各位同仁的共同努力。

我们统计过，在过去几年中，锌空气电池论文有极大增长，各类金属空气电池方面增长最快。2011年，我们发表了第一篇论文，当时是锌空气电池的 "冬眠期"。而在2019年，有超过2300篇关于锌空气电池的论文发表。

2017年特斯拉申请了一项专利：锂离子电池+金属空气电池作为未来电动汽车的重要方向，这项概念性的专利得到了授权。其中，金属空气电池可以提供很高的能量密度，锂离子电池有相对较高的循环性能，这样动力电池的成本可能会得到进一步下降。这代表了未来电动汽车的一个发展方向。

锌空气电池未来发展方向：高能量密度、分离的功率和能量、高功率和高能量；而要实现商业化，所有技术都需要耐用和实用的电极和电解质设计。