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文档简介

水系锌离子电池锌负极的界面研究曹鹏辉2022.11.24目录CONTENTS主要研究工作总结01 背景与意义0203背景与意义全国最大储能体系(格尔木市电化学储能)2019年2020年2020年中国装机规模储能分类电化学储能成为未来主要的储能形式双碳目标下,未来大规模储能设施作为能源革命的一部分,必将伴随清洁能源技术的成熟而迅速发展。相比于其它储能体系,电化学储能发展迅速,呈现不可阻挡的态势。主要储能方式抽水储能(受地理位置影响)电化学储能主要电化学储能锂离子电池

(能量密度高、安全性差、成本高、废旧电池污染环境)铅蓄电池

(安全性较好,成本低,能量密度低,污染环境)未来储能发展方向:高能量密度、低成本、高环保、高安全性。高能量密度、高安全绿色及低成本水系锌离子电池体系将成为未来重要发展方向以金属锌为负极的水系锌离子电池是以锌离子作为载体的“摇椅式电池”,基于锌锰一次电池成熟的产业背景,及低成本,高能量密度,高安全性及对环境污染少等优点而成为目前二次电池的研究热点。正极:

Mn

基材料、V基材料、普鲁士蓝类似物、有机正极材料等,主要以二氧化锰为主。负极:主要为金属锌箔。电解液:主要为硫酸锌水溶液。隔膜:玻璃纤维。背景与意义电站典型储能电池性能对比水系锌离子电池具有较高的能量密度(50-100 Wh Kg-1)和循环寿命(700-2000次),在储能电站领域具有重要的应用前景。电池类型水系锌锰二次电池磷酸铁锂电池三元锂电池(NiCoMn)铅酸蓄电池全钒液流电池工作电压(V)1.2~1.43.3~3.73.2~4.221.5理论容量(mAh

g-1)308(单电子转移)170274~~实际容量(mAh

g-1)150~210140~145145~195~~能量密度(Wh

Kg-1)50~100150~190200~22025~507~15循环次数700~20002000~5000800~2000300~1000>10000安全性析氢弱风险易燃易爆高风险易燃易爆高风险析氢弱风险毒性弱风险环保性高一般一般低一般成本低高高一般高背景与意义水系锌离子电池发展政策环境国家发展改革委、国家能源局起草了《电化学储能电站安全管理暂行办法》,提出了包括建立健全储能电站备案制度、委托具有专业储能检测资质的机构对安全相关的核心部件或单元开展到货抽检、投运前应通过消防验收等要求。2021.082022.01国家能源局关于《“十四五”新型储能发展实施方案》里提到在未来要突破电池本质安全控制,开展新一代储能电池技术。2022.05国家能源局综合司发布《关于加强电化学储能电站安全管理的通知》,从高度重视电化学储能电站安全管理、加强电化学储能电站规划设计安全管理、做好电化学储能电站设备选型、严格电化学储能电站施工验收、严格电化学储能电站并网验收、加强电化学储能电站运行维护安全管理、提升电化学储能电站应急消防处置能力七个方面对电化学储能电站安全提出了具体措施。2022.06国家能源局关于征求《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中明确规定:“中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池….”,并且对使用磷酸铁锂电池用为电化学储能系统的安全风险防范做了明确要求,如建设场地周边环境、可燃气体探测、灭火系统设置等。背景与意义技术验证示范应用2000年-2010年电化学储能累积装机规模2.7MW2011年-2015年电化学储能累积装机规模1.64GW2016年-2020年电化学储能累积装机规模3.27GW2021年-2030年电化学储能累积装机规模50GW以上水系锌离子电池发展未来市场前景电化学储能中,锂离子电池占有率高达90%以上,但锂离子电池安全风险及安全防控成本高,未来水系锌离子电池和锂离子电池将并立于储能市场,并出现“安全问题一票否决、倒逼后者迭代升级”的局面。产业规模化商业化初期背景与意义电芯原材料正极材料负极材料电解液隔膜其他材料电池生产设备水系锌离子电池发展未来产业链上游材料及设备 中游电池制造及系统集成安装电池组电池管理系统储能电池系统储能变流器能量管理系统储能系统集成储能系统安装下游应用电力系统储能发电侧电网侧用户侧备用电源通信基站数据中心UPS其它背景与意义水系锌离子电池存在的主要问题可充电水系锌离子电池在储能系统领域尽管具有广阔的市场前景,但依然存在较多问题,主要集中在关键材料负极、正极、电解液。负极:枝晶、副产物、析氢腐蚀 正极:溶解及导电性差问题 电解液:高低温应用、低电化学窗口背景与意义主要研究工作负极:主要集中在界面改性,实现长寿命金属Zn负极。正极:开发高倍率MnO2正极。电解液:研究高低温电解质的制备与设计。隔膜:探索低成本隔膜。水系锌离子电池关键材料研究对电池关键材料(正极、负极、电解液和隔膜)进行研究设计,开发适用于储能体系的高安全、低成本和长寿命水系锌离子器件。1、水系锌离子电池Zn负极人工界面层研究工作1-无机介孔TiO2涂层水热法制备得到TiO2微球,其比表面积为77.0

m2

g-1,主孔径为15.8nm。利用涂覆法将介孔TiO2微球作为Zn负极保护层,改性负极在对称电池中以4.4

mA

cm-2/1.1

mAhcm-2

下可稳定循环500h。ACSAppliedMaterials&Interfaces,2021,13(7):

8181-8190.研究工作2-有机淀粉涂层将淀粉作为Zn负极界面保护层,改性负极在对称电池中2

mA

cm-2/1

mAh

cm-2可稳定循环2000h以上;有机淀粉涂层具有较高过电位。1、水系锌离子电池Zn负极人工界面层研究工作3-锌镍合金镀层电沉积法制备锌镍合金镀层,镀层厚度为4.1微米;锌镍合金镀层改性负极可在较高电流密度下循环。ACSAppliedMaterials&Interfaces,2021,13(41):

48855-48864.1、水系锌离子电池Zn负极人工界面层研究工作3-锌镍合金镀层相对在原始Zn核表面形核,Zn更倾向于围绕ZnNi镀层形核,进而使得Zn核均匀分布;金属异质形核促使锌均匀沉积。1、水系锌离子电池Zn负极人工界面层研究工作4-锌磷合金镀层电沉积法制备锌磷合金镀层,镀层厚度为1.7微米;锌磷合金镀层改性负极可在高电流密度及放电深度下循环。AdvancedFunctionalMaterials,2021,31(20):

2100398.1、水系锌离子电池Zn负极人工界面层研究工作4-锌磷合金镀层ZnP镀层具有优异亲锌性,降低了形核能垒,且有利于界面离子转移动力学;ZnP镀层中的磷降低了电化学反应活化能,界面快速转移的离子能高效参与电化学反应。1、水系锌离子电池Zn负极人工界面层研究工作5-Zn基体表面刻蚀首次剥离中,纯Zn负极的整个剥离过程是不均匀的;首次沉积不同容量的Zn,纯Zn负极沉积不均匀。首次循环,纯Zn负极表面出现了最初的枝晶形貌;初始枝晶的形成归结于Zn的不均匀剥离和沉积。初始剥离初始沉积初始循环初始循环先剥离后沉积先沉积后剥离2、水系锌离子电池Zn负极基体界面设计JournalofPowerSources,2022,528:

231215.研究工作5-Zn基体表面刻蚀HCl刻蚀锌箔表面:微尺度下的山丘和细小纳米沟贯穿整个Zn箔表面构建特殊的分层结构;在对称电池中表现出较好的电化学性能。2、水系锌离子电池Zn负极基体界面设计研究工作5-Zn基体表面刻蚀初始锌剥离和沉积的均匀化有利于抑制负极循环过程中锌枝晶的形成;刻蚀形貌降低了电极电流密度且电场分布均匀,控制均匀的电镀/剥离过程来缓冲Zn枝晶的形成。2、水系锌离子电池Zn负极基体界面设计研究工作6-锌箔淬火诱导Zn均匀形核Zn箔淬火处理构建缺陷,实现Zn的均匀形核抑制Zn枝晶;淬火Zn负极在对称电池中表现出较好的电化学性能。2、水系锌离子电池Zn负极基体界面设计研究工作6-Zn箔淬火诱导Zn均匀形核协同表面和内部缺陷诱导Zn的均匀形核,实现Zn负极的长寿命循环。2、水系锌离子电池Zn负极基体界面设计总结定位:高安全、高环保和低成本水系锌离子电池将在储能领域具有广泛市场空间,尤其适用于削峰填谷、风光电配储和备用电源等固定式储能领域。技术:针对水系锌离子电池关键材料(正极、负极、电解液和隔膜)存在的问题进行研究,构筑适用于固定式储能领域用的电池器件,其中,对于负极的研究主要集中在界面设计,提高负极循环寿命。市场:若能解决水系锌离子电池在实际应用中的关键科学与技术问题,进入实用化阶段,其市场将有望呈爆发式增长。储能科学与工程专业介绍、长沙理工大学是全国第二批、湖南省第一家开设储能科学与工程专业的高校培养目标:储能科学与工程专业面向国家“能源革命”战略需求和“碳达峰、碳中和”目标,依托长沙理工大学能源电力、绿色交通等学科优势和行业影响,立足储能产业发展重大需求,培养储能领域急需紧缺人才。以掌握新型储能技术、储能系统、储能安全等储能知识体系为重点,凸显储能系统和储能安全特色,培养在能源电力、绿色交通等行业及其新兴交叉领域,从事储能技术、储能系统、储能电站的研发设计、运行控制、

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