10月19日，在“2021（第十六屆）動(dòng)力鋰電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展國(guó)際論壇”上，加拿大皇家科學(xué)院院士陳忠偉作題為《可充放的鋅空氣電池》的主題演講，他介紹了鋅-空氣電池當(dāng)前存在的挑戰(zhàn)，催化劑的設(shè)計(jì)原則和發(fā)展，電極設(shè)計(jì)等方面的問(wèn)題。他指出所有技術(shù)想要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，都需要耐用和實(shí)用的電極和電解質(zhì)設(shè)計(jì)。

隨著人口的增長(zhǎng)，我們對(duì)能源的需求越來(lái)越大。尤其是在過(guò)去幾年中，每個(gè)人都感覺(jué)到了，極端氣候增多，例如今年河南的大水，加拿大溫哥華地區(qū)溫度達(dá)到50攝氏度，這也是極端氣候非常大的表現(xiàn)。極端氣候增多主要是因?yàn)橐远趸紴橹鞯臏厥覛怏w排放造成，這意味著我們需要新能量、新能源，這和我們雙碳目標(biāo)是一致的。

2020年9月22日，習(xí)近平主席在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布，中國(guó)將采取更加有力的措施，“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。拜登承諾到2030年將美國(guó)的碳排放減半。歐盟計(jì)劃到2030年至少減少55%的排放量。在這三個(gè)全球最大經(jīng)濟(jì)體帶領(lǐng)下，二氧化碳排放肯定要減下來(lái)。

怎么減下來(lái)？意味著新能源的利用非常重要。新能源主要集中在太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能還有水電等，新能源的利用有一個(gè)非常重要的點(diǎn)就是儲(chǔ)能，儲(chǔ)能是其中非常關(guān)鍵的一環(huán)。比如現(xiàn)在的棄風(fēng)棄光比例是比較高的，為什么高？這些能源是不穩(wěn)定的，要提高它的利用率，必須通過(guò)一個(gè)很好的儲(chǔ)能系統(tǒng)，或者是氫能來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，這樣新能源的利用率才能極大提高。

儲(chǔ)能系統(tǒng)或者說(shuō)電池，電池主要是四個(gè)非常重要的方面：成本、能量密度、功率以及安全性。

金屬空氣電池已有上百年的發(fā)展歷程，1878年，第一代鋅空氣電池已經(jīng)做出來(lái)了，除了鋅空氣電池，還有鋁空氣電池、鐵空氣電池，還有從2008年開(kāi)始非?；馃岬匿嚳諝怆姵?，到現(xiàn)在更多的金屬空氣電池的發(fā)展。

為什么大家都喜歡做金屬空氣電池呢？有一個(gè)非常重要的原因是金屬空氣電池的能量密度高，第二個(gè)原因，從安全性考慮，比如像鋅空氣電池或者其他一些金屬空氣電池，因?yàn)橛盟惦娊庖海踩员容^高。

我們團(tuán)隊(duì)2009年開(kāi)始決定要做鋅空氣電池，那時(shí)候鋰空氣電池、鋅空氣電池、鋁空氣電池都是比較熱的一個(gè)話題，我們選擇鋅空氣電池一個(gè)很重要的原因是當(dāng)時(shí)我剛到加拿大的時(shí)候，聽(tīng)了 Jeff Dahn（加拿大最著名的電池科學(xué)家）的一個(gè)報(bào)告《Electrically Rechargeable Metal-air Batteries Compared to Advanced Lithium-ion Batteries》（2009）。

他把鋅空氣電池和鋰空氣電池做了一個(gè)綜合性的比較，鋅空氣電池理論能量密度可以達(dá)到4400Wh/L。從實(shí)際的比較來(lái)說(shuō)，鋰空氣電池理論能量密度是3400Wh/L，而當(dāng)時(shí)一次鋅空氣電池商業(yè)上已經(jīng)做到1756Wh/L（金霸王DA13）,比較鋰空氣電池有非常大的優(yōu)勢(shì)。

鋅空氣電池與鋰離子電池比較的話，鋅空氣電池的能力密度還是非常有優(yōu)勢(shì)的，比如18650那時(shí)候是 670 Wh/L，現(xiàn)在隨著技術(shù)進(jìn)步會(huì)高一些，鋅空氣電池的能量密度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋰離子電池、鋰空氣電池。

鋅空氣電池能量密度更高，環(huán)境友好性也非常好，鋅空氣電池用的所有的包括電解、正負(fù)極材料都是沒(méi)有什么污染的。安全性比較高，用的是水系電解，安全性相對(duì)傳統(tǒng)的鋰離子電池很明顯。材料便宜，鋅價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋰價(jià)格，鋅的儲(chǔ)量非常大，鋰資源還是比較有限的，隨著儲(chǔ)能市場(chǎng)擴(kuò)大，鋰價(jià)格還是會(huì)上漲，現(xiàn)在大家開(kāi)始考慮到用鈉，鋅的儲(chǔ)量是鋰的上百倍。

鋅空氣電池這么好，一次性電池開(kāi)始得到許多領(lǐng)域的應(yīng)用，為什么可充放的鋅空氣電池為什么一直沒(méi)有得到發(fā)展？三個(gè)最大的問(wèn)題：

鋅電極：最主要會(huì)涉及到鋅枝晶問(wèn)題，這是鋰金屬電池共同面臨的巨大挑戰(zhàn)。

電解液的穩(wěn)定性：傳統(tǒng)的用的是堿性水系電解液，會(huì)涉及到空氣中的二氧化碳會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)

空氣電極：涉及到催化劑、電極本身的構(gòu)造，是不是我們能發(fā)展一個(gè)很好的高效的雙功能催化劑，能夠?qū)ρ鯕夥磻?yīng)析氧反應(yīng)(OER)以及氧還原反應(yīng)(ORR)有很高的活性及穩(wěn)定性。

剛開(kāi)始我們做了很多燃料電池方面的催化劑。而鋅空氣電池，因?yàn)槎际巧婕暗窖鯕猓諝膺@側(cè)和燃料電池電極結(jié)構(gòu)非常類似，唯一多了一個(gè)功能，燃料電池是ORR，而鋅空氣電池可充放的話需要進(jìn)行OER，相當(dāng)于充電的過(guò)程，也就是涉及到兩個(gè)反應(yīng)，這兩個(gè)反應(yīng)我們當(dāng)初怎么選取材料？

白金催化劑是很好的ORR催化劑，另外也有很好的OER催化劑，最初我們進(jìn)行的試驗(yàn)是將二者混合，可以取得不錯(cuò)的效果，但是這兩種催化劑都比較貴。我們做鋅空氣電池非常大的一個(gè)目標(biāo)是降低成本，如果用這兩種催化劑，就失去了原來(lái)的很好的一個(gè)力量。

所以在設(shè)計(jì)催化劑、選取催化劑的時(shí)候，我們剛開(kāi)始就選用非貴重金屬催化劑，比如鈷、鐵、鑭、錳、鎳為金屬氧化物基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合氮摻雜碳材料來(lái)設(shè)計(jì)催化劑。而催化劑最大的功用就是降低催化反應(yīng)過(guò)程中的能壘，怎么很好的降低氧氣的放電、充電過(guò)程中的能壘，我們認(rèn)為基本上有四個(gè)要求：

①催化劑的比表面積需要比較高，如果比表面積不高，物質(zhì)活性就不可能高。

②最佳的氧氣吸收能量，太大太小都不行。

③高導(dǎo)電性，電化學(xué)催化劑涉及到電子的轉(zhuǎn)移，和傳統(tǒng)的催化不一樣。

④高電化學(xué)穩(wěn)定性。

在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們也考慮到了結(jié)構(gòu)的生成，比如我們需要比表面積比較高的，傳統(tǒng)的比如specific activity最高的是納米材料，微米級(jí)的材料因?yàn)楸缺砻婷娣e太低，所以它的mass activity不高。但是用納米材料會(huì)涉及到另外一個(gè)問(wèn)題，如果全是5納米、10納米這樣微小的納米顆粒，電極制備會(huì)非常困難。

我們希望把納米的特性和微米的特性進(jìn)行很好的結(jié)合，我們叫他Nano-structured material（納米構(gòu)造材料），這樣既有納米特性，又有微米特性，在電極制備時(shí)候會(huì)比較簡(jiǎn)單。過(guò)去十年中，我們基本上的目標(biāo)就是圍繞提高mass activity和提高specific activity兩個(gè)目標(biāo)，最終設(shè)計(jì)出來(lái)一種高活性、高穩(wěn)定性的 Nano-structured material。

我們的設(shè)計(jì)理念，第一代是把碳材料和金屬氧化物進(jìn)行整合，后來(lái)做了金屬和碳材料混合型催化劑，但是我們發(fā)現(xiàn)只要有碳；穩(wěn)定性就不夠高，所以我們希望盡量減少碳的用量。盡管碳非常重要，但是能不能減少它的用量，這是我們做的第三代催化劑的方向。穩(wěn)定性對(duì)金屬空氣電池非常重要，故現(xiàn)在我們?cè)谘芯康氖菬o(wú)碳材料，能夠把穩(wěn)定性提升到更高的一個(gè)數(shù)量級(jí)。從大的層面上涉及到形貌的設(shè)計(jì)，活性位點(diǎn)的工程化，催化機(jī)理的研究，整合到一起希望能夠發(fā)展出可以商業(yè)化應(yīng)用的金屬空氣電池催化劑。

我們最早的一類工作是將LaNiO3和NCNT進(jìn)行整合，我們希望在化學(xué)合成的基礎(chǔ)上形成一個(gè)復(fù)合型結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)很好的催化活性和穩(wěn)定性。我們合成了CCBC催化劑，通過(guò)耐用性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，CCBC催化劑即使在1000小時(shí)后也很穩(wěn)定，而鉑金在70小時(shí)后才降解。壽命循環(huán)可以做到3000個(gè)循環(huán)。

我們也研究了二維的催化材料，金屬氧化物和金屬結(jié)合、和類石墨性材料結(jié)合，使得活性和穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升。

除了含碳催化劑，我們還進(jìn)行了氧化鈦結(jié)合氮摻雜的無(wú)碳催化劑研發(fā)，這個(gè)催化劑設(shè)計(jì)了一個(gè)很好的孔道的設(shè)計(jì)，非常有助于傳質(zhì)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了這類無(wú)碳催化劑的活性和穩(wěn)定性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)活性位點(diǎn)在充放電過(guò)程中價(jià)態(tài)會(huì)發(fā)生變化。

此外，在材料基礎(chǔ)上，電解性能好壞，非常依賴電極組分和孔道、親水性/憎水性影響。因此，我們對(duì)電極三維構(gòu)造進(jìn)行了探索。

第一代電極，我們希望電極材料，催化劑能夠直接長(zhǎng)到集流體上，跟傳統(tǒng)噴涂相比能夠提高導(dǎo)電性、傳質(zhì)性。我們合成了一種頭發(fā)狀的材料，經(jīng)過(guò)測(cè)試，這種催化劑穩(wěn)定性非常高，且這類電極帶有柔性。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中把它做成了一個(gè)小的柔性電池。

催化劑活性位點(diǎn)很重要，我們催化活性位點(diǎn)定位不明確，研究過(guò)程中我們提出三個(gè)問(wèn)題：

1. 電池充放電過(guò)程中，初始態(tài)的催化劑材料是不是保持原樣？

2. 在催化反應(yīng)過(guò)程中，催化劑表面是不是有重構(gòu)發(fā)生？

3. 氧氣反應(yīng)過(guò)程中，哪個(gè)是真正的活性位點(diǎn)？

帶著這三個(gè)問(wèn)題，過(guò)去幾年，我們選取鈷鐵氮為基礎(chǔ)材料的催化劑，以期看到充放電過(guò)程到底是什么狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)鈷是真正的活性位點(diǎn)，鐵活性不高。得到結(jié)論：相變發(fā)生在界面上，而塊狀區(qū)域保持不變。

催化劑是動(dòng)態(tài)催化過(guò)程，活性層非常重要，核也非常重要，是一個(gè)復(fù)合型設(shè)計(jì)。而通過(guò)活性位點(diǎn)機(jī)理的初步計(jì)算，進(jìn)一步證明充放電過(guò)程中，活性位點(diǎn)是發(fā)生改變的，特別是鈷的價(jià)態(tài)。最近我們也對(duì)氮元素催化劑做了一系列研究。

過(guò)去十余年對(duì)空氣電解催化劑和電極已有大量的探索，但鋅空氣電池到現(xiàn)在還未被大范圍應(yīng)用，我認(rèn)為接下來(lái)的挑戰(zhàn)在于電解質(zhì)。

鋅電池的混合電解質(zhì)，所實(shí)現(xiàn)的鋅枝晶抑制，可以初步達(dá)到鋅空氣電池未來(lái)產(chǎn)業(yè)化的壽命要求。新型凝膠聚合物電解質(zhì)是下一代重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的對(duì)象，完全可以達(dá)到目前的需求。

在過(guò)去幾年，2009年開(kāi)始研究催化劑和電極的發(fā)展，2018年在滑鐵盧大學(xué)我們有個(gè)團(tuán)隊(duì)在做電動(dòng)汽車的示范，鋅空氣電池與鋰電進(jìn)行了很好的整合初步應(yīng)用于電動(dòng)汽車；現(xiàn)在我們有些精力放在放大上，但總體而言還處于初級(jí)階段，未來(lái)是否成功，取決于各位同仁的共同努力。

我們統(tǒng)計(jì)過(guò)，在過(guò)去幾年中，鋅空氣電池論文有極大增長(zhǎng)，各類金屬空氣電池方面增長(zhǎng)最快。2011年，我們發(fā)表了第一篇論文，當(dāng)時(shí)是鋅空氣電池的 "冬眠期"。而在2019年，有超過(guò)2300篇關(guān)于鋅空氣電池的論文發(fā)表。

2017年特斯拉申請(qǐng)了一項(xiàng)專利：鋰離子電池+金屬空氣電池作為未來(lái)電動(dòng)汽車的重要方向，這項(xiàng)概念性的專利得到了授權(quán)。其中，金屬空氣電池可以提供很高的能量密度，鋰離子電池有相對(duì)較高的循環(huán)性能，這樣動(dòng)力電池的成本可能會(huì)得到進(jìn)一步下降。這代表了未來(lái)電動(dòng)汽車的一個(gè)發(fā)展方向。

鋅空氣電池未來(lái)發(fā)展方向：高能量密度、分離的功率和能量、高功率和高能量；而要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，所有技術(shù)都需要耐用和實(shí)用的電極和電解質(zhì)設(shè)計(jì)。