近年來，隨著全球能源需求的持續攀升，能源結構不斷調整，為滿足當下各種不同應用場景的需求，科研機構越發關注新型電池的研發與探究，新型電池技術百花齊放。今天我們來盤點幾款近期在科研上取得新進展的新型電池。
1.鈣-氧電池
近日，復旦大學科研人員創建出一種新型鈣-氧氣電池，可在室溫條件下充放電，穩定運行700次循環，展現出高安全性、較低成本等優勢，并為可穿戴電池織物的發展提供了新思路。2月7日，相關成果在線發表于《自然》。
鈣金屬具有低氧化還原電位和多價性等特性，結合我國豐富的鈣資源，基于金屬鈣的電池體系在未來的能源應用中具有廣闊前景。
然而，鈣金屬負極具有高電化學活性，容易導致電解液被還原分解并在電極表面形成鈍化層，使得鈣金屬負極失效；空氣正極具有高電極電勢，容易導致電解液氧化分解，正極電化學性能迅速衰退。目前仍難以找到一種能與鈣金屬負極相匹配，且能適應高電極電勢空氣正極的電解質，嚴重制約了鈣-氧氣電池的發展。
鈣-氧氣電池結構示意圖（圖片來源：復旦大學）
為了解決這一挑戰，團隊通過系統設計溶劑、電解質鹽以及電解質配比，成功制備出一種基于二甲基亞砜/離子液體的新型電解質，有效滿足了電池正負極的高要求，構建了可室溫工作的新型鈣-氧氣電池。
該研究發展出的鈣-氧氣電池主要由三個部分構成：金屬鈣負極、碳納米管空氣正極和有機電解質。
該電池設計不僅優化了性能和成本，也兼顧了環境的可持續性與在柔性電子設備中的應用要求。其中，金屬鈣負極不僅成本較低，還具有較高的理論容量，有利于全電池實現較高的能量密度。同時，可進一步將金屬鈣負載到柔性基底上，得到柔性的金屬鈣負極，為實現柔性鈣-氧氣電池奠定基礎；電解質采用基于二甲基亞砜/離子液體體系，這種電解質在室溫下不僅表現出了高離子導率，還展示了穩定的電化學特性，顯著提升了電池的整體安全性；正極材料則采用了較為環保的碳材料，不含昂貴的貴金屬催化劑，并利用空氣中的氧氣作為反應物，有助于降低電池的制造成本。
2.水性鋅離子電池
水系鋅離子電池具有安全性好、成本低等優點，在儲能領域具有重要的應用潛力。然而，電解液中的水在鋅離子電池中就像一把雙刃劍，得益于采用水溶劑，鋅離子電池不僅安全，還具有高離子電導率，保證電池具有出色的快速充放電能力。此外，電解液中水的存在有助于提供質子以插入正極材料，從而提高容量。但是，過量的水會導致負極的腐蝕、鋅枝晶形成以及正極材料的溶解問題，從而影響了鋅離子電池的長期循環性能。因此，為了同時實現鋅離子電池的高容量和長壽命，必須精確控制水含量。
圖片來源：中國科學院大連化物所
據《中國科學報》1月25日消息，近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員楊維慎、朱凱月團隊在鋅離子電池電解液研究方面取得新進展。團隊揭示了電解液中水含量對正負極界面動力學和可逆性的影響，發現通過適當調控電解液中的水含量，就可以打破鋅離子電池中高容量和長壽命難以兼得的限制，使二者同時實現。相關成果發表于《化學科學》。
在研究工作中，科研團隊選擇乙腈作為有機溶劑代表，探究了電解液中不同水含量對正負極反應動力學和穩定性的影響，并找出對全電池容量和壽命的影響規律。研究發現，電解液中即使只有少量水，也能實現鋅離子電池的最高容量，并表現出優異的長期循環穩定性。在6A/g電流下，經過9,000次循環后容量保留率高達80%。
另外，團隊系統深入研究了含水量對釩基正極和鋅負極界面微觀反應機制的影響，不僅加深了對鋅離子電池機理的理解，也為通過電解液設計實現鋅離子電池優異性能提供了新思路。
3.晶硅電池
2023年，中國“新三樣”出口首破萬億。海關數據顯示，我國光伏組件產量已連續16年位居全球首位，多晶硅、硅片、電池片、組件等產量產能的全球占比均達80%以上。全球光伏發電裝機容量近一半在中國。
圖片來源：江蘇科技大學
1月31日，據江蘇科技大學科學技術研究院報道，江蘇科技大學、隆基綠能科技股份有限公司、澳大利亞科廷大學等合作的研究成果“Flexible Silicon Solar Cells with High Power-to-Weight Ratios”（高柔韌性、高功率重量比的晶硅異質結太陽能電池）在國際頂級期刊《Nature》上發表。
晶硅太陽能電池是目前光伏產業的支柱產業。傳統的晶硅電池面臨兩大瓶頸問題：一是，產業化的大面積晶硅電池其功率轉換效率始終難以突破26%的關口。不同的技術路線，包括鈍化發射極背接觸（PERC）、隧穿氧化物鈍化接觸（TOPCon）、硅異質結（SHJ），商用轉換效率在24%~25%范圍內。
另一方面，目前較為先進的晶硅電池厚度一般在150~180μm范圍內，重量大、易破碎、無柔韌性。對安裝弧度要求高和重量要求嚴苛的使用環境，如海面漂浮式光伏（海）、曲面屋頂（陸）、衛星空間站（空）等，晶硅太陽能電池無法勝任。因此，研發具有高轉換效率、大面積、重量輕、柔韌性好、低成本的晶硅太陽能電池一直是研究人員的夢想。
在本項工作中，團隊創新性的通過將晶圓減薄至55~130μm厚度，并開發與之相適應的無外延復合梯度鈍化（低損傷連續等離子CVD）、自修復納米晶播種與摻雜接觸垂直生長、透明導電層的低損傷反應等離子沉積、無接觸激光轉印柵線等技術革新，使57~125μm厚的SHJ電池的轉換效率達到了破紀錄的26.81%（德國哈梅林太陽能研究所認證），其中57μm厚電池的功率重量比達到了驚人的1.9W/g，曲率半徑19mm。
本成果在國際上首次實現了具有高柔韌性、高功率重量比的晶硅異質結太陽能電池，從根本上革新了人們對晶硅太陽能電池厚重、易碎的傳統印象，大大拓展了晶硅電池的應用范圍。
4.全釩液流電池
據中國科學院1月3日消息，近日，中國科學院大連化學物理研究所儲能技術研究部研究員李先鋒團隊，開發出70kW級高功率密度全釩液流電池單體電堆。該單體電堆體積功率密度由目前的70kW/m3提高至130kW/m3，在體積保持不變的條件下，功率由30kW提高至70kW，成本較目前的30kW級電堆降低40%，有望助推全釩液流電池的商業化進程。
全釩液流電池因其安全性高、壽命長、效率高、環境友好等特點，是大規模儲能的首選技術之一。目前由于全釩液流電池初始投入較高，限制了其進一步普及應用。電堆是全釩液流電池系統主要核心部件，其功率密度決定了電堆成本。功率密度越高，相同輸出功率條件下，電堆體積越小，成本越低。
大連化物所開發出70kW級高功率密度全釩液流電池單體電堆（圖片來源：中國科學院）
在本工作中，李先鋒團隊采用自主開發的新一代高選擇性可焊接多孔復合膜和可焊接高導電雙極板，利用其可焊接特性，開發出短流程、超薄電池結構，并結合低流阻、高均勻分配流道的結構設計，研制出70kW級電堆。經測試，該電堆在70kW額定功率充放電條件下的能量效率為81.0%；在60kW恒功率充放電條件下能量效率為82.1%。此外，該電堆連續穩定運行1200多個循環后，能量效率衰減率僅為1.7%。使用該電堆，可將一個20尺的250kW儲能單元模塊升級為500kW儲能單元模塊，不僅功率單元體積大幅減小，而且降低了系統配套設施的成本。該電堆的開發，提升了儲能系統功率單元的集成度，有望提升儲能系統的經濟性和可靠性。
5.鈉離子電池
1月24日，大連化學物理研究所官網消息，近日，大連化學物理研究所儲能技術研究部（DNL17）李先鋒研究員、鄭瓊研究員團隊和中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所藺洪振研究員合作，在鈉離子電池電解液研究方面取得新進展。
鈉離子電池具有資源豐富、成本低廉、性價比高等優勢，在中低速電動車和大規模儲能等領域應用前景廣闊。醚類電解液因其低熔點和高電導性等優勢成為鈉離子電池相適配的優選電解液體系之一。但是，醚類電解液較高的最高占據分子軌道能級（HOMO）使其固有抗氧化性不足，當電池電壓超過4.0V（vs.Na/Na+）時，會發生劇烈氧化分解，難以形成穩定可靠的電極/電解液界面（CEI），造成嚴重的不可逆容量損失和較差的電化學穩定性，因此無法有效應用于電壓較高的正極材料體系。同時，醚類電解液的低閃點和易燃性增加了其高溫下的熱失控風險，也限制了其在鈉離子電池中的普適性應用。
圖片來源：大連化學物理研究所
針對上述問題，研究團隊利用全氟陰離子與正極和溶劑之間的相互作用，設計并開發了系列含全氟陰離子添加劑的醚類電解液體系。研究發現，添加劑和正極間的強親和作用，可發生優先吸附，減少了自由溶劑分子與電極間的接觸；同時，高HOMO能級可作為自犧牲劑優先于溶劑氧化，形成富含C-F/NaF的CEI界面，改善了醚類電解液的抗氧化性和界面鈉擴散動力學，實現了醚類電解液耐受電壓由3.6V提高至4.5V（vs.Na/Na+），循環1,900次后容量保持率高達91%。此外，團隊還發現，全氟陰離子添加劑和醚類溶劑之間形成的-C-F··H-C-贗氫鍵，可以顯著改善電解液的熱穩定性，在60°C下穩定循環100次后容量基本無衰減。該新型醚類電解液體系開發不僅為鈉離子電池界面化學調控提供了創新的設計思路，而且對拓寬醚類電解液體系在鈉離子電池中的實際應用提供了新思路。
總結：
伴隨科研人員的不斷探索，我國在新型電池的研發上不斷突破，盡管在當前技術條件下，新型電池的投產應用還需時間，仍需要我們整個行業的共同努力。相信在技術創新、市場需求與政策導向的加持下，作為未來能源儲存與應用的重要載體之一，新型電池終將對推動全球能源結構向可再生能源轉變發揮重要作用。
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