能量寶——雙碳背景下的能源供給技術

摘 要：隨著“雙碳”目標的提出，電池產業飛速發展，但目前金屬-空氣電池存在正極催化劑成本高昂、液態電解質質量較大、負極金屬片易被腐蝕等問題。針對目前的技術缺陷，團隊開發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水凝膠型電解質，形成了質量輕、性能優、成本低、應用范圍廣的新一代金屬-空氣電池，解決了上述問題。

關鍵詞：電池；非貴金屬催化劑；固態電解質

1 作品介紹

能量寶是一款可以滿足無電網覆蓋下應急環境使用需求的新型固態金屬電池，如圖1所示。它是一種全固態金屬-空氣電池，既是儲能設備，也是發電設備，可以完全脫離電網工作，通過更換負極金屬片即時補充能量。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化裝置。

目前，送測的能量寶鋁金屬-空氣的電池能量密度為

648 W·h/kg，是現有鋰電池的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。

團隊將改進的電池轉化為可以為民造福的產品：一種是便攜性高、體積小巧、操作簡單的小型能量寶產品；另一種是小型電堆?；诔醮a品，我們將同時開發軍用、民用兩類市場。目前產品在重慶大學鋰電及新材料遂寧研究院完成了第二輪小試，進行了公斤級的原料合成。

2 技術原理說明

金屬-空氣電池的相關研究和應用始于20世紀60年代，但至今未實現大規模推廣。其應用受限的原因在于兩方面：一方面是空氣中氧氣轉化需要用到如Pt等貴金屬納米催化劑，成本極高；另一方面，電池內部需要使用強堿性的液態電解質，危險性高且重量大。

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題，我們設計合成了低成本、高性能的三合一氧還原催化劑。該催化劑的設計靈感來源于血液中運輸氧氣的血紅蛋白分子。我們用血紅蛋白改性的血晶素，合成出了無需Pt等貴金屬的催化劑。相較于現有貴金屬催化劑600元/g的成本，我們開發的催化劑在相同性能下，成本僅22.8元。在進一步的探究中，我們提出了全新的催化劑合成思路，將血晶素內的碳碳雙鍵進行高聚反應或者進行烯烴復分解，形成一條σ鍵和Π鍵均有的長鏈，作為氧氣和氧負離子的離子導體和電子的電子導體，合成“三位一體”的高聚物氧還原催化劑，如圖2所示。相較于現有的商用電極催化劑合成方式，該催化劑無需導電劑和粘合劑，在節約成本的同時，可以將血晶素的反應位點充分暴露出來，快速將空氣中的氧氣、凝膠中的水分和電子結合生成氫氧根，高效完成氧還原反應。

2.2 仿生固態水凝膠型電解質

我們開發了基于仿生固態水凝膠電解質，如圖3所示。

利用高分子有機物膠連出網狀結構，在凝膠電解質體系中，得益于氣體和水通道（如圖4），水和氧氣作為電化學反應過程的反應物被及時傳輸到活性中心，保障氧還原反應的快速發生；將正極產生的堿性物質及時傳導出催化層，避免了鋁空氣電池因濃差極化而產生額外的過電勢，影響放電效果。

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

為了篩選最合適的有機物添加劑，我們做了一系列實驗，面對數百萬種有機物催化劑，它們的性質無法被準確預測，所以實驗效果并不理想。團隊負責人許耘浩在李存璞老師和魏子棟老師的指導下，基于神經網絡技術，開發了一種通過分子結構預測分子多方面特性的算法，相關研究成果近期發表于化工頂級期刊《ALCHE JOURNAL》。在此算法的幫助下，我們從數百萬種有機分子中篩選出了最合適的有機催化劑，解決了氫氧化鋁沉淀在鋁片表面沉積造成鋁片鈍化的問題，實現了金屬片的有效利用。同時，仿生固態電解質材料傳質性能優異，對環境友好，不會產生任何污染和額外碳排放。

3 作品創新點、應用前景和市場

本作品的創新點在于設計合成了非貴金屬三合一氧還原催化劑；開發了仿生固態水凝膠電解質，并基于神經網絡技術，設計了一種通過分子結構預測分子多方面特性的算法，用以篩選最合適的有機物添加劑。

在“雙碳”政策的背景下，以光伏、風電為主的“綠電”將成為“十四五”電力發展的主流，加速推動我國能源轉型?；诖祟惓醮a品，我們將同時開發軍用、民用兩類市場。

軍用方面，能量寶可以充分發揮安全性強的優勢，替代使用不便的手搖發電機和容量低的鉛酸蓄電池，提供為大型設備供電的電堆。目前，團隊已和軍工企業完成了初步接觸，在相關單位完成了第一輪測試，并和相關電源公司進行了對接。

民用方面，我們將向政府提供此類產品，用于抗震救災等場景，或向個體消費者提供此類產品，以一次性充電寶的形式出售，作為鋰電池的補充，填補無電網覆蓋下的電池市場空白。

未來，團隊將進行汽車動力電池的開發，利用能量寶安全性強、換電便捷、高容量等特性，滿足當前新能源市場換電模式的使用需求。

我們希望打造“清潔能源-金屬儲存-能量寶釋放”的能源儲備路線。將鋁、鋅等金屬轉化為國家的戰略能源儲備，幫助國家實現戰略能源獨立自主；為產能過剩的傳統鋁業提供向新能源產業轉型升級的解決方案，為“雙碳目標”的達成貢獻青年學子的力量。