近日，加拿大滑鐵盧大學鋅空氣電池第一人陳忠偉博士發表了題為《鋅空氣電池和下一代硅鋰電池研究應用》的演講報告，以下是演講報告實錄：

大家好，很榮幸能有機會到工業界的論壇來講一下學術方面的問題，今天我首先第一個講一下我們在鋅空氣電池方面的技術和產業化方面的問題。第二個，我們做了很多硅基鋰離子電池的應用和研究，所以今天也跟大家講一下這方面的研究。

我原來是在加州大學上的博士，2008年之后到了滑鐵盧大學擔任教授職位，滑鐵盧是在加拿大的滑鐵盧，滑鐵盧離多倫多一個小時車程，離紐約七八百公里，到芝加哥也非常近?；F盧大學在西方是一個比較年輕的大學，它是1957年建校。這個大學建校有兩個特色，第一個特色，它的本科教育是要五年完成的，本科生有兩年必須在企業或者科研院所進行實習才能拿到學士學位，所以畢業生最大的好處是企業非常喜歡，因為他知道企業需要什么。

然后滑鐵盧還有一個非常特別的地方，就是我們的專利權它是屬于教授跟科研人員的，學校不參與專利的爭奪權，完全屬于教授。正因為這個政策，導致了滑鐵盧其實是加拿大的高科技三角區，有幾百家高科技創業公司在那里。特別有一個東西大家都知道，黑莓手機，其實是由滑鐵盧的一個本科生創辦起來的，曾經輝煌過，現在不怎么樣了，但是他那個創業氛圍還是非常重的。

我是屬于化學工程跟機械工程的教授，我們其實是加拿大最大的工程學院，也是北美最大的工程學院之一。我還是屬于納米工程學院的教授，我們是北美第一個有本科納米工程的學校，這個樓是我們那個黑莓校友花了1.6億美元捐助建的，里面有最先進的納米技術，納米材料的表征設備，對我們電池材料的研究幫助也非常大。

我的課題組主要是做高能材料，高能材料你看這圖上面，能源材料有三個方面的應用，第一個應用是燃料電池，我在美國加州讀博士的時候我是做燃料電池的，然后2008年加入滑鐵盧大學之后，我們同時開始做鋰電池，包括鋰離子電池，還有鈉離子電池，同時還做了鋅空氣電池的研究。

這是我們在滑鐵盧的團隊，40個人左右，我們鋰電池主要是跟通用汽車公司合作。燃料電池主要是跟巴拉德公司合作，其他的一些包括美國能源部的項目，現在我們有兩個正在做。

今天首先講一下鋅空氣電池我們最新的進展。這個能源非常重要，大家都知道，特別是鋰電池。主要的應用是集中在這幾個方面，第一個方面就是交通，還有一個更大的市場現在正在展開，就是新能源的儲備，比如風能、太陽能，還有跟國家電網連在一起的大規模儲能，這是必須解決的問題，因為我們要把垃圾電變成優質電，必須有大規模的電能儲備。還有可穿戴式電源。

談到電池技術的話，有幾個參數是比較重要的，左上角是能量密度，右上角是功率密度，左下角是壽命，右下角，最重要的一個，是成本。這四個參數決定了你這個電池能夠適應什么樣的市場，能不能占領市場。在現階段的話，特別是電動汽車的推廣方面，還有手機電池，筆記本電腦電池這方面，對能量密度的要求顯得尤為重要，比功率密度更重要。

所以現在許多學術界主要的研究就是怎么進一步提高它的能量密度，這是首要任務。在提到能量密度的同時，你必須讓這個電池有足夠長的壽命，這是非常關鍵的。然后還有成本，這幾個因素基本上缺一不可。提到能源非常重要，我們就來談一下為什么我們當初選擇了鋅空氣電池，鋅空電池，金屬空氣電池，現在主要有兩個研究方向，一個就是鋅空電池，還有很多學術界集中在鋰空電池的研究上。為什么大家鋅空電池和鋰空電池很興趣呢？因為它的能量密度比較高。正因為能量密度特別高，所以特別關注，大家都認為這是下一代的電池技術。

我們看一下七年前，2009年的時候，我開始做金屬空氣電池，我們做了一個分析，為什么需要做鋅空呢，看這個表格，我們有不同的金屬包括氫氣，這些能量密度都非常高。但是比如像煤鋁，還有鐵，由于它的化學特性，決定了它不可能，就排除掉了。就剩下鋅跟鋰，如果比較它的體積能量密度，鋅比較高，它們各有優缺點。所以基于這個考慮，我們當時想覺得鋅也是很好的。

比較鋰空跟鋅空，鋅空更加趨向于現實，因為市場上注氫，紐扣電池都是用鋅空電池，它能量密度高，但是這個是一次性技術，它是鋰離子的兩到三倍可以做到。也就是說在市場上已經可行，只是不能充放。還有比較鋰電池？它活性比較高，你用的時候會增加材料上的許多麻煩，這是很難克服的。正因為由于這個，我們當初決定做鋅空電池而不是鋰空電池。

我們總結一下鋅空電池電池的優勢，第一，它能量密度比較高，理論上是五倍，現在市場上可以做到兩到三倍一次性的話。還有其魯教授提到，鉛酸電池污染非常大，但是鋅空電池基本上沒有什么污染，它對環境非常友好。而且沒有危險，用水箱電解，這是它的一個很大優勢。

還有就是材料非常便宜，跟鋰比。還有鋅的全球儲量是非常大的，即使以后大規模應用的時候，它價格不會波動。

接下來看一下鋅空，既然這么好，看一下工作機理，現在所有的電化學能源都是非常簡單的，鋅空是燃料電池跟電池的結合體，它的工作機理很簡單，現在這個是放電，放電的反應是什么反應呢？我們叫它氧還原反應，它是放電的狀態，氧氣變成水，這是放電。當然了，還有充電，點就是把它倒過來，倒過來就是變成氧氣跟水，提供電，這就是充電。氧氣反應跟傳統的是不一樣的，這個氧氣反應是非常緩慢的反應，我們為了加速它的反應，就必須有一種很好的催化劑來提升它反應的速度，提高它的效率。所以鋅空電池的第一個挑戰，可充放，你必須尋找或者發明一種活性非常高，又非常穩定的催化劑，能夠讓這個反應盡快地進行。

也就是鋅空電池的第一個挑戰，我們必須解決的問題，就是氧氣電解催化劑怎么解決？鋅空充放過程中，它氧氣反應，比如充電的時候電位比較高，但是催化劑中往往有許多碳，容易發生腐蝕，鋅空的可充放電池一直沒有實現的其中一個原因，這個問題必須解決。

還有一個更大的問題，是鋅資金的問題?；谶@兩個問題，根據我們自身的研究，我們設計了一種新型的氧氣催化劑，來適合于反應的進行，我們設計這個氧化劑是處于納米工程的考慮，我們在2010年的時候，成功地開發了雙功能催化劑，它是怎么做的呢？我們先做成金屬氧化物的半攙雜的納米化，這個催化劑的好處，由于這兩種材料的有機結合，你能夠顯示很高的活性，它的氧催化活性比鉑還高。在充電的時候它的活性和穩定性也非常高。

看一下我們的結果，我們發展出來的催化劑非常穩定，而且性能也很好。比較一下藍色和紅色，藍線是鉑，鉑是白金催化劑，白金催化劑初始的催化性能不錯，但是它的穩定性能差。還有一種稀有金屬它的穩定性也不行，我們這種催化性穩定性很好，活性也很好。然后看一下電池的充放，左下圖是三千個循環，基本上沒有什么衰退。看一下右上圖，是一千小時，基本上也沒有什么變化。有這個結果之后，當時我們就認為，我們基本上第一次解決了雙功能催化劑在鋅空電池上的應用，所以這個問題解決了。

所以接下來的問題，我們同時做三維電極結構的催化劑，這個也非常穩定，這是我們正在開發的。

還有就是第二個最大的挑戰，是鋅資金，怎么解決它的問題呢？把鋅電極做成多孔電極，為什么做成多孔電極呢？兩個原因，一個我們做成多孔電極之后，因為它的比表面積高，它的能量密度會很高。第二個，形成這些孔之后，我們希望鋅資金不要一下跑到表面上來，把電池穿刺了，往孔里長。所以這個方法初始階段是比較有效的，但是這個方法還是沒有解決鋅資金的問題。

然后我們有一系列的專利，這個是模塊化，全部是集裝箱型的，而且我們有很好的設計思路，跟傳統市場上所有的鋅空電池設計是完全不一樣的，而且我們認為我們真正地解決了這兩個問題，市場上其他的許多鋅空電池的公司是機械式更換芯片來實行充換。當然鋅空電池有一個很大的缺陷，它的能量密度下來了，所以我們市場就不一樣，我們針對大規模儲能市場，因為它對成本的要求高，對能量的要求沒有那么高。

看最后一個表，十年的使用成本，我們可以做到4到8分錢每千瓦時，價格是最低的。我們針對的市場是什么呢？看這個報告，2014年全球的電池市場1600億美元，將近1萬億人民幣。根據預計，在2020年的時候，應該能達到3200億美元，為什么呢？大規模儲能它的共性會非常大，現在所有的風能、太陽能必須有電池的儲備在那里。所以這個市場的增長是非常大的，對大規模儲能電池的要求，需求量以后會非常大。

我們主要是針對這個市場，當然了，我們并不是說放棄了原來的思路，因為我們原來是準備用在動力電池上，利用鋅空的高能量密度，所以我們也繼續投入力量，想辦法解決鋅資金的問題，如果能解決，可以取代很大一部分的動力電池的市場，這是我們以后的目標。

接下來講一下硅基鋰離子電池的發展，上個星期剛剛接到一個通知，叫我們去全球百大科技獎，我們的拍檔去了，我沒辦法去了。我們硅基鋰離子電池實現了什么東西呢？比如硅，其魯教授已經提過，這個硅材料很好，為什么呢？因為它的能量密度非常高，硅可以達到4200，現在碳材料是372，也就是理論上可以達到10倍以上。好東西絕對有缺陷，什么缺陷呢？它充放過程中，體積收縮變化非常大，電極很容易崩潰。

怎么維持電極的穩定性？提高電池的壽命，這就是硅材料必須解決的問題。我們要給它做一個籠子，把這個硅放在籠子里面，讓它不要到處亂串，電極讓它不要變形，那樣電極穩定，電池壽命就好了，這是我們的思路。當然這個我們結合了其魯教授介紹的石墨烯，也就是我們實驗室自己形成了很完善的制備工藝，我們有自己的石墨烯制備辦法，還做了硫攙雜石墨烯，當然了石墨烯只是作為一個輔助材料，不是主要材料。

經過這個工藝，把它混漿之后，進行一定的低溫處理，我們可以在電極的初始容量3.5毫安的情況下，第一圈的循環效率是86%，這是文章上的數據，可以循環壽命達到2000個循環以上，這個是我們的貢獻，就相當于真正地達到了可以跟正極材料匹配的硅電極，利用這個硅電極可以把負極變薄了。如果你進行這個核算，我們滑鐵盧2015年8月份利用硅電極制備的電池能量密度可以提高40%。所以我們最終要達到提高60%，這是我們的目標。