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       鋰電池的安全問題一直未被有效解決。

　　金屬鋰在充放電過程中容易產生鋰枝晶，堅硬的鋰枝晶會刺穿隔膜引起短路和著火，所以科學家選用石墨替代金屬鋰作為負極材料。充放電過程中，鋰離子隨著電解液在正負極間往返運動。

　　但是這依舊無法杜絕鋰枝晶的形成，當正負極材料中嵌入的鋰超過了承載范圍，依舊會產生鋰枝晶，帶來安全隱患。此外，有機電解液在高溫下會燃燒，也會帶來爆炸風險。

　　而鋰電池作為新能源的重要載體，無論在出行，還是儲能方面，都被寄予厚望。電網儲能技術就是通過建立規模化儲能電站，在用電低峰期將風能太陽能等能源存儲起來，在用電高峰期再放電，緩解高峰期的用電壓力。

　　鋰電池儲能電站是目前的主流方案之一，以磷酸鐵鋰電池為主的鋰離子電池建設的儲能電站，已經在浙江、湖南、江蘇等省份建立。比起電動汽車，大規模推進鋰電池電網儲能技術，在安全上要求更為嚴格。

　　“電網儲能相當于上萬個電池在一起，規模比電動汽車大得多，如果出了安全性問題的話，是非常致命的，影響的范圍也會非常的大，并且影響到電網的穩定性。所以說它的安全性要求更嚴格。” 鄭州大學副教授金陽告訴《麻省理工科技評論》中國。

　　最近，他憑借發明的新型固態電解質熔融鋰金屬電池體系，入選《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創新35人”。

　　這種全新的鋰電池體系，采用固態電解質，以熔融金屬鋰作為負極材料，兼具高能量密度、低成本、高安全性的特點，是未來鋰電儲能的理想方案。

　　圖 | 《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”2020 年中國區榜單入選者金陽

   以高導鋰陶瓷管作為電解質的新型電池體系

　　金陽的本科專業是電氣工程，在碩博連讀期間，他前往美國麻省理工學院，跟隨李巨教授做研究期間開始接觸電池的研究。隨后，他又前往斯坦福大學，跟材料學頂級學者崔屹繼續研究鋰電池。新的鋰電池體系就是在崔屹老師的指導下開始的。

　　其中的關鍵結構固態電解質是一個 U 型的陶瓷管，由它來負責傳導鋰離子，同時又阻止聚硫化物或聚硒化物的穿梭效應。這個結構需要燒結來實現，金陽從美國崔屹老師的實驗室做到清華大學陶瓷國家重點實驗室。

　　這是因為 U 型管底部的曲面結構成型條件復雜，在崔屹老師的實驗室中，金陽嘗試了半年都沒有成功。交流期滿，他想繼續把研究做下去，聯系到在清華大學陶瓷國家重點實驗室的伍暉副教授，繼續在清華訪學了一年。

　　以這種陶瓷管作為電解質的新型電池體系的結構簡單，U 型陶瓷管作為電解質，負責傳導鋰離子，在 U 型管內外分別裝載正負極材料。電池的負極采用熔融的金屬鋰，正極采用熔融合金。液 - 固 - 液的結構設計讓正負極液體與電解質之間充分接觸，在充放電過程中可以實現鋰離子的快速運輸。電池工作過程中，正負極材料都是熔融的金屬，高于鋰本身的熔點，鋰晶枝無法產生并且存在，這就杜絕了鋰晶枝帶來的安全隱患。并且，固態電解質即使在高溫情況下也不會燃燒，電池也因此更安全。

　　圖 | 新型電池結構（來源：Nature Energy ）

　　這種新型的電池的電流密度高達 500mA/cm2（175mW/cm2），庫倫效率平均可達到 99.98%。此外，這種電池的工作溫度也大大降低。與自 1960 年代以來報道的其它液態鋰金屬電池相比，工作溫度從 450°C 降至 240°C。這一工作溫度下可以使用聚合物材料進行密封和絕緣，降低了電池的生產成本。

　　金陽介紹，如果電池在 500 度左右工作，需要通過陶瓷焊接進行密封，成本較高。而在 200 多度的條件下，可以使用硅膠進行密封，這就降低了電池的成本。

　　陶瓷電解質耐高溫的特性也為電網儲能的情景下提供了更多的安全保障。“無論電池體系做多大，運行功率多高，即使瞬間溫度提高到四五百度，也沒有任何問題，因為陶瓷是在一千多度的環境中燒結出來的。此外，如果運行溫度突然下降，電池也會完全停止運行，重新恢復到原來的運行溫度后，電池可以續接啟動。”

　　在入職鄭州大學電氣工程學院之后，金陽在院領導的支持下成立“鄭州大學電網儲能與電池應用研究中心”，并擔任研究中心負責人，將這一電池體系的研究繼續推進。

　　基于原有的固態陶瓷電解質結構，開發了液態鋰硫和鋰硒電池，能量密度可以超過 500wh/kg 和 1000wh/L，并且將能量成本降低到 $20/kWh。電池還具有高功率特性和大于 1000 次的長循環壽命，以該電池作為動力的電動汽車可以實現 6 分鐘內快速充滿電。

   持續推進電網儲能領域研究：提取高純度鋰金屬，探測微量鋰枝晶

　　金陽在鄭州大學擔任電網儲能研究團隊負責人，開發了新的鋰電池體系后，他從現實需求出發，持續進行研究。

　　從生產成本的角度考慮，儲能電網的規模大，與光伏、太陽能等發電技術配合使用，降低成本的需求更迫切。

　　金陽告訴《麻省理工科技評論》中國，“像光伏風能它本身的成本已經很低了，如果說我們儲能的成本降不下來的話，其實是無法與新能源相配合的，也不好去建儲能電站。”

　　2016 年的《中國鋰礦調查報告》顯示，中國有豐富的鹽湖鋰礦，占到全國鋰資源的 70% 以上。要利用好這些鋰礦，可持續性地生產高純度鋰非常重要。

　　新電池體系中的陶瓷固體電解質具有高鋰離子選擇性。金陽利用這一特性，開發了一種從低純度氯化鋰直接提取高純度鋰金屬的方法。利用固體電解質對于鋰離子的單一選擇性，可以篩除鉀、鈉等其他的金屬，提取出來的金屬鋰純度大于 99.7%，并且將生產成本降低為當前國際鋰金屬價格的 20％以下。

　　下一步，金陽計劃將新型鋰電池體系進行產業化，首先是將單體電池盡量做大，從而減少電池系統管理的復雜度。金陽表示，希望能將單體電池做到實驗室原型的十倍、甚至百倍大。在單體電池基礎上，完成 100Kw 的固態電解質熔融鋰金屬電池模組中試，之后再建立 2MW 的儲能示范電站。

　　不過在新型的電池體系落地產業之前，眼下的儲能電網主要采用有機電解液磷酸鐵鋰電池，更緊迫的是需要解決安全隱患，也就是充放電過程中鋰枝晶析出帶來的火災爆炸風險。

　　金陽與國家電網江蘇省電力公司合作進行研究，開發出一種基于氫氣探測的微量鋰枝晶析出靈敏檢測方法。

　　實驗發現，微量鋰枝晶析出的時候，會和石墨負極聚合物粘結劑發生反應，從而產生氫氣并溢出電池。氫氣在空氣中不存在，而目前商用的氫氣探測器的靈敏度能夠達到 1ppm。在電池溫度沒有異常時，微米級的鋰枝晶（質量約 0.00028 毫克，半徑約 50 微米）的析出也會觸發氫氣探測器報警。用這種將方法提供早期信號，預警時間比熱失控提前 10 分鐘以上。這種方法可以提供儲能系統整體早期安全預警、消除熱失控事故發生。

　　圖 | 利用氫氣探測微量鋰枝晶析出（來源：Joule ）

　　江蘇省 954.6MW 的儲能電站已經安裝了氫氣探測器，金陽團隊還參與修訂了鋰離子電池儲能電站的消防安全標準，規定新建設的儲能電站必須配備氫氣探測器以確保安全。

　　如今身為老師，金陽也在將從李巨、崔屹兩位老師身上學習到的科研態度傳給學生。

　　他從兩位老師身上體會最深的就是能夠去想別人沒有做過的東西，嘗試革命性的研究。兩位老師都堅信，做研究就是要改變世界，他也在向這個方向努力。作為一位青年科學家，做出研究貢獻的同時能夠培養學生，兩者都讓他體會到滿足。

　　金陽回憶跟隨李巨老師做實驗時的嚴格要求。老師會要求他把實驗的每一個細節每一個內涵都搞清楚，非常難實現的驗證也會嘗試去做。這樣最終成果的質量就會非常高。跟隨崔老師做研究時，開組會進行頭腦風暴，大家一起討論各種想法，雖然很多想法最終會被否定，但是這個過程鍛煉了思維能力。

　　“我現在也會去想，哪些東西別人壓根都不會去想，也不會去做，但是這個東西確實有用。這也是一個思維的和創新的能力，我覺得這個很重要。”