2023年《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国区发布将来到上海。本次论坛我们聚焦「Infinitas 未来无限」，我们将搭建一个展现“青年人”智慧与潜力的舞台，聚集全球创新人才和资源，让更多人见证他们不懈的探索和追求，让一点火苗点燃他们无穷的创造力。让上海与我们共同见证这片广阔无垠的舞台上，追梦者们绽放出耀眼的光芒。

以下是复旦大学水系电池研究中心执行主任晁栋梁在2024中国科技青年论坛精彩讲话，由云现场整理。

谢谢主持人的介绍以及邀请参加这样的活动，我是复旦大学晁栋梁，我今天给大家介绍的主题安全高能量密度的水性电池技术，这可能是大家之前都很少听说过的新型技术，但其实这个技术已经在我们的日常生活中得到了非常普遍的应用，今天从化学的角度或者从新型反应的角度给大家介绍一下电池体系是怎么逐渐被发掘出来的。

首先给大家介绍的是电池发展史，虽然电池体系已经被我们日常生活中应用的非常多了，但其实也就发展了两百多年的历史，但是其雏形仍然可以追溯到公元前250年左右，两千多年前的技术萌芽。比如说我们看到的典型物理能量存储装置莱顿瓶，到真正意义上的第一款电池技术伏特电池，伏特也是我们膜拜的对象，他凭借着科技发明，从而获得了巨大的丰厚报酬。再到后来伏特电池里用氢做正极，能量密度太低了，他就想能不能用铜作为新的反应电堆，从而发明了丹尼尔电池。后来又发明了锌锰电池，如果锰的电池依然不够，我们就发明了锌镍电池，再到后面的镍氢电池、锂离子电池，这些电池的发展演变给了我们一个规律，只要我们follow前人的伟大思想去提出或发明一些反应电堆，我们依然有机会去提出自己的创新想法，并且把它们应用到我们的日常生活中。

前面的电池发展史如果转换成化学上的语言，比如说图里展示的是一个电解质氢，我们在储能里不能让氢的分解发生，所以我们需要把（英文）（02：14：27）储能反应，也就是两个电堆，一个正电堆，一个负电堆，从而组成真正意义上的电池。我们现在所有电池的发明稀释都可以套用或借鉴古人的思想。今天除了研究背景，主要给大家介绍一下在我们的团队里怎么思考这个问题，怎么解决当前水性电池面临的问题，并且提出自己的想法，最后给大家简单介绍一下我们最新的产业化以及器件方面的思考及

首先是研究背景，研究背景依然是面向国家的重大发展需求，碳达峰和碳中和。并且当前的锂钠离子电池面临严峻的安全隐患，锂资源70%以上依赖进口，这都是从国家能源安全角度的考虑，非常大的安全事故，都给人们带来了很多的安全思考。国家工信部和能源局早就提出了对电池安全方面的各种要求，包括大中型储能电站里不得使用锂离子电池，大中型的城市储能不能选用锂离子电池，并且现在很多楼宇里的备电其实都不能使用。还有跟大家相关的两轮车，现在管控非常严格，严禁带入楼。不管什么管制措施，都不是根本上解决电池安全问题。如果从根本上解决，我们可以考虑一些新型电池体系，比如我们做的水性电池，它是本质上的安全和环保，即便给它任何破坏性实验，它都不会有任何安全风险。再加上它具有资源上的优势，在我们国家基本上是垄断的资源。从这些角度来说，都是可以解决我们能源安全、电池安全以及跟人们生活息息相关的新质生产力的发展需求，包括文汇报前段时间对我们水系电池实验室进行了专题报道，代表新质生产力的发展方向。

当前水性电池面临很多问题，像我们所熟知的铅酸电池、氢镍电池都在我们的生活中得到非常多的应用，但是它面临严峻的能量密度问题。当前市面上看一下，能量密度基本都低于50Wh/KG，如果把能量密度提高的，是不是当前水性电池的市场或应用范畴会进一步扩大。我们团队近五年内从电池的各个部件，包括正负极、集流体等各方面，整体提高电池或电芯的能量密度问题。我们最近提出了各种各样的策略，从各种角度解决这样的问题，不仅仅从电压角度、容量角度。

下面给大家快速讲一下，我们针对电池能量密度的问题是怎么想的。首先是用锌锰电池举子，它已经发展两百多年了，但是如果我们回顾它的机理，它其实发生的都是单电子反应，它都是锰的四价到锰的三价的转变，如果反应不能改变的话，很难从根本上提高能量密度。2019年我们提出了两电子反应，可以把锰的四价做到锰的二价，这样能量密度肯定翻倍，并且电压提高了很多，这样整体上能量密度可以提高到3倍以上。

做出来了第一代电解锌锰电池以后，我们就想能不能电压更高。如果我们根据反应电堆的设计方式，我只要把负极的反应电堆往更负的地方移动，其实我们的电压就会更高。我们从负极用锌的中性反应电堆换成碱性的反应电堆，在中间加上离子选择性膜，我们就可以做出第二代更高电压的锌锰电解电池，放电电压可以到2.5V，并且不会有任何水的分解。

我们怎么把它做的更大？液流电池就是非常好的选择，我们基于两电子的电解反应，它非常适合做液流电池，但是做液流的过程中，我们把它称之为死锰现象，锰会不断在管道中沉积出来，从而发生容量慢慢衰减的过程。我们加了一点二价铁离子到溶液里，它可以通过电化学和化学的介导方式去消除掉我们电解液里的死锰，把死掉的二氧化锰转变成锰离子回到电解液里。前面提到的都是电压角度，我们做了更高电压的反应电堆解决水性电池的能量密度问题。

还有更多更高能量的电堆选择，我们通过筛选，发现硫非常适合做高容量电堆。我们总结这里面的问题，不管你用碱金属硫还是（20：43）我们可以实现96%的硫氧化效率，最终我们能实现1.6V的新电池体系开发，它的容量可以超过1000，能量密度基于正极可以达到700多。

钾硫电池是非常好的选择，钾和硫都非常便宜，但是还没有人真正把这个反应做出来。钾硫在有机电池里遇到的一个很大问题是短链多硫化钾，水可以促发多硫化钾的转变，如果我们调控多硫化钾的极限，（）不仅可以实现非常高效的硫的反应，又可以实现非常稳定的循环，所以在这个工作里，我们第一次做出了钾硫水性电池。

（）我们依然可以用新的反应角度去解决里面更重要的一些问题，比如金属利用率的问题，不管是碱性锌电池、中性锌电池（）无法提高器件的能量密度。在这个工作中，我们用了一个固体和固体之间转变的新转换型反应去替代了本身锌的固液转变，替代之后可以解决它的溶差极化问题，并且可以解决锌金属沉积的问题。整体来说，我们可以从器件角度提高到90%以上的金属利用率，这样整体器件的能量密度才能得到比较大的提高。另一方面，还有没有什么其他的反应是我们可以利用的？除了锌，我们依然可以选用一些其他的金属，比如说锡，它挺耐腐蚀的，并且它肯定是耐析氢的。这样我们就可以实现没有腐蚀、没有析氢、没有枝晶的锡基水系电池，我们开发出了一系列的锡电池，借助古人的思想，我发明了一个电堆，其实我就发明了一堆电池。

最后快速介绍一下我们产业化和器件化方面的进展，首先是锌镍电池，我们家里的锌镍电池能量密度肯定超不过60。（）如果我们做成像锂电池一样的无钴水性电池，那成本又进一步下降。（）我们也在跟华为合作做数据基站里的能源存储，他对安全和空间的能量密度要求都非常高。另外，水系电池，海水是最（英文）的，现在海水制氢非常火热，但是海水电池也是非常（英文）的课题。在这个工作里，我们先分析了一下传统文献里的海水电池什么样，中间都需要离子选择性膜，并且需要使用有机的电解液，并且需要使用钠金属负极，我们打通了全海水，负极全部用海水，并且不需要隔膜就可以做出来全海水电池。右边展示的图，我也是从海南取来的海水，并且取来了一条鱼，其实意思上是更加生物兼容的体系。如果我在海面上简单通过叠片的方式，正极、负极、电解液，往海面上一放，上面再铺一个太阳能电池板，就可以形成一个光储充一体的储能技术，这个东西被发明出来以后，我们就可以给周边所有的东西，不仅仅可以补能，它又是可移动的。可移动的话，它可以做成水上充电宝。基于这个数上充电宝的思想，我们今年拿到了国家重点研发。我们半年前成立了水性电池研究中心，去年年底习总书记访问的时候，我们的赵院士也向他介绍了我们的电池技术，我们现在做到了真正能上楼的电池，跟现在两轮车面临的窘境非常相关，现在政府也非常重视，一直在找我们聊这些事情。

当前市面上所有水性电池占据的电池市场大概1/3-1/4的市场范围，但是能量都非常低，都是低于60Wh/KG，我们现在做的所有技术都是基于100Wh/KG以上的能量密度，我们做了一个GKh的管线，我们现在做的Ah级电芯，所有的能量密度都是100以上。整体来说，如果我们想的非常promising的话，其实水性电池已经有了千亿级的市场规模，但是面临的问题是整体能量密度太低了，如果我们把它的能量密度double之后，是不是可以想象它可以替代掉当前的水性电池技术，它的成本是非常低的。

最后，感谢众多合作者，谢谢我们的团队，谢谢！