青島能源所在低速電動(dòng)車無鉛化研究中取得系列進(jìn)展

　　近年來，價(jià)格低廉且使用費(fèi)用極低的低速電動(dòng)車（≤ 70 km/h）極大便利了百姓的出行，豐富和滿足了廣大群眾的物質(zhì)生活。其價(jià)格親民，使用方便，備受三線和四線城鎮(zhèn)居民歡迎，2015年銷量破七十萬，2016年高速增長，銷量突破100萬。然而，大多數(shù)低速電動(dòng)車使用的是鉛酸蓄電池作為動(dòng)力，鉛酸蓄電池具有顯著的成本優(yōu)勢，但是環(huán)境污染嚴(yán)重，已經(jīng)不符合國家提出的“生態(tài)文明”社會(huì)建設(shè)的要求。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前鉛回收率不到30%，每年產(chǎn)生的廢鉛超過260萬噸，嚴(yán)重污染水源和土壤，引起人體血鉛超標(biāo)。因此，低速電動(dòng)車的無鉛化綠色發(fā)展已迫在眉睫。依托中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所建設(shè)的青島儲(chǔ)能技術(shù)研究院在2012年建院之初，根據(jù)產(chǎn)業(yè)的迫切需求，把低速電動(dòng)車的無鉛化作為主要工作目標(biāo)，創(chuàng)新性地提出了低成本鋰離子電池技術(shù)、低成本水系鋅電池技術(shù)和新型鎂電池技術(shù)的三種解決方案，部署了五十多人的技術(shù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，取得階段性進(jìn)展。

　　為貫徹落實(shí)《中國制造2025》和《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃（2016-2020）》，引導(dǎo)企業(yè)持續(xù)開發(fā)、使用綠色環(huán)保原材料，減少和降低有害物質(zhì)的應(yīng)用，工信部編制并發(fā)布了《國家鼓勵(lì)的有毒有害原料（產(chǎn)品）替代品目錄》，明確提出了以鋰電池替代鉛酸蓄電池的要求，低成本綠色環(huán)保型鋰電池將迎來更為廣闊的市場空間。以市場需求為研究焦點(diǎn)，堅(jiān)持研究成果可產(chǎn)業(yè)化落地的研發(fā)原則，青島儲(chǔ)能院致力于低成本鋰電材料體系開發(fā)研究，在國內(nèi)首先提出并發(fā)展低成本的阻燃纖維素隔膜（ACS Appl. Mater. Interface, 2013, 5, 128-134；Prog. Polym. Sci., 2014, 43,136-164.；Electrochim. Acta, 2016, 188, 23-30；專利號ZL201110434221.6）、利用廢舊碳電極和高品質(zhì)煤礦石發(fā)展低成本碳負(fù)極（Electrochim. Acta, 2016, 196, 603-610，專利號CN201610072072.6）、無氟環(huán)保硼酸鋰鹽（Coordin. Chem. Rev., 2015, 292, 56-73；J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 7773-7779；專利號 ZL201210425872.3，ZL201210425838.6）等低成本鋰電池材料，在低成本鋰離子電池材料領(lǐng)域申請專利16項(xiàng)，發(fā)表SCI論文10余篇。目前實(shí)現(xiàn)了低成本鋰離子電池的中試，每瓦時(shí)成本控制到0.5元/Wh，成本接近鉛酸電池，而性能大幅提升，當(dāng)前正在跟相關(guān)企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣。

　　鋅電池體系以低成本及高容量的優(yōu)勢在人類儲(chǔ)能器件中占有一席之地，其使用材料和制備工藝無毒和無污染的特點(diǎn)更適合于低速電動(dòng)車的綠色健康發(fā)展。鋅電池利用水系電解液，成本上擁有更大競爭力。然而，大多數(shù)鋅電極材料在水系電解液中不穩(wěn)定，副反應(yīng)多，電池循環(huán)壽命差。針對上述瓶頸，青島儲(chǔ)能院通過高濃金屬有機(jī)鹽基電解液改善鋅電極電化學(xué)行為，成功解決了鋅電池充電效率低和循環(huán)壽命差的弊端。同時(shí)，該電解液體系顯著提高了水系電解液的電位窗口，實(shí)現(xiàn)了鋅電極與高電壓正極材料的匹配，基于此電解液構(gòu)筑的鋅-磷酸鐵錳鋰電池能量密度達(dá)183 Wh/kg（基于活性物質(zhì)），預(yù)計(jì)器件的能量密度略高于鉛酸電池（Electrochem. Commun., 2016, 69, 6-10；ACS Appl. Mater. Interface, 2015, 7, 26396-26399）。

　　相比于鋰離子電池，可再充鎂電池是一種高安全和低成本的二次電化學(xué)儲(chǔ)能器件，是低速電動(dòng)車無鉛化的重要解決方案。青島擁有豐富的鎂資源優(yōu)勢，具有發(fā)展鎂電池儲(chǔ)能電源得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。青島儲(chǔ)能院創(chuàng)造性地提出了基于大半徑、非親核、氟化硼烷陰離子的鎂鹽設(shè)計(jì)思路，成功探索出同時(shí)滿足易制備、鎂負(fù)極兼容、高電導(dǎo)率、非親核、不腐蝕集流體及寬電位窗口等六大性能要求的電解液體系（Adv. Energy Mater., DOI: 10.1002/aenm.201602055）；青島儲(chǔ)能院還發(fā)展了高電導(dǎo)、耐腐蝕新型的裂解石墨膜集流體材料體系（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 2277-2285）。在此技術(shù)上，基于該電解液開發(fā)的新型低成本鎂-硫電池能量密度達(dá)900Wh/kg（基于活性物質(zhì)計(jì)算），器件的能量密度預(yù)計(jì)在300Wh/kg以上。該新型電池設(shè)計(jì)理念為未來低成本鎂電池的發(fā)展提供了方向和思路。低成本鋰電池技術(shù)的發(fā)展及新型鎂、鋅電池的前瞻性研究勢必加速推動(dòng)低速電動(dòng)車環(huán)保綠色無鉛化的進(jìn)程，引導(dǎo)低速電動(dòng)車能源轉(zhuǎn)型升級，為山東乃至我國工業(yè)綠色發(fā)展做出巨大的技術(shù)貢獻(xiàn)。

　　青島能源所在低速電動(dòng)車無鉛化研究中取得系列進(jìn)展