创新为储能电池续航记武汉大学化学与分子科学

为响应当前国家低碳环保的号召，很多人开始选择低碳出行，而其中使用最多的莫过于电动车。然而，电动车的运行离不开储能电池，虽然经历了多年的技术发展，国内外的储能电池技术仍是制约新能源产业发展的关键技术之一。据调查显示，当前市场上常用的储能电池主要包括碳铅电池和锂离子电池，而锂离子电池是其中最好的蓄电池之一，被广泛应用于各种储能场所。但随着市场需求和成本的快速增长，我国锂离子电池应用与规模储能受到极大限制。寻找新的更加丰富的替代资源，成为众多储能电池科研工作者的目标，曹余良便是其中之一。

曹余良，于2003年获得武汉大学化学与分子科学学院博士学位，并开始在电化学研究所任教，主要研究方向是电化学能量储存与转化，内容涉及锂离子电池和钠离子电池体系。近年来先后主持多项国家自然科学基金面上项目和重点研发计划等研究工作，主持包括“新能源汽车”领域重点研发计划课题项目“电池安全性和环境适应性研究”及参与储能领域重点研发课题项目“储钠材料设计、制备及储能机理研究”，并作为主要参加人员国家“973”计划课题“绿色二次电池新体系相关基础研究”项目子课题。在Nature Energy、Nature Nanotechnology、Chem、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Nano. Lett.等国际学术期刊上发表SCI论文200余篇，他引余次，H指数为61，ESI高被引论文22篇，有3篇论文进入热点文章，获批发明专利8项，为我国储能电池行业发展作出了重要贡献。

时代智慧，引领潮流

社会的进步和发展，总是同一群走在时代前沿的学界精英们的智慧和理念息息相关。曹余良之所以选择开展钠电池体系研究，是因为钠离子电池和锂离子电池的工作原理相似，且与锂资源的分布不均形成鲜明对比的是，钠在海洋中无处不在，且储量是锂的几千倍，如果能够替代锂，成本可能会大幅降低。曹余良所带领的科研团队作为国内最早开展钠离子电池研究的团队，已经取得了众多科研成果。2019年7月，《细胞》子刊《化学》在线发表了该研究团队针对高能钠金属电池的研究进展及发展前景的总结论述，在业界引起了广泛关注。

对此，曹余良有自己的想法，他表示，近年来锂电池的走势，越来越朝着能量密度高的锂金属电池方向发展。如果将钠离子换成钠金属，不仅能让电池体系的能量密度更高，还能有效推动储能电池产业的发展。当然，这期间同样会遇到安全性、循环稳定性、钠金属内部短路等一系列难点问题需要解决。

据曹余良介绍，“以钠离子电池中安全的碳负极来取代金属钠体系，应该像锂离子电池中用石墨来取代金属锂负极，能够更好地进行商业化发展。因此，这是首先要开展的研究。而后则要寻求高钠能量密度的材料，经过后期的努力和发展，走到钠金属电池的研究这一步。但此期间，需要更多地关注它的安全性和钠金属负极的可逆性，以及循环稳定性等。”可见，任何的科研创新都有它的优势，同时也具有一定的劣势，但幸运的是，我们的科研工作者定将以自己的智慧和汗水攻克这些难题，从而让更多的资源为人类社会的发展服务。

前景广阔，目标坚定

人生目标明，立足稳步行。曹余良多年来积累的丰富实践经验让他深刻认识到，钠金属电池在储能电池产业发展历程中将大有可为，发展前景广阔。而目前市场上出现的低价且高能量的新型钠金属电池，便是最好的证明。

据了解，在目前这些新型钠金属电池体系中，钠金属被直接用作负极，可实现高达1160mAh/g的比容量和低至-2.714V（相对于标准氢电极电势）的氧化还原电势。而丰富的O2、CO2、SO2以及单质S均可作为正极材料，从而构成各类钠金属电池的原料，但现实中，不同的钠金属电池可能需要不同结构特征的电极材料才能实现较好的电化学性能。

另外，在钠金属电池研究中，正极迟缓的反应动力学和较高的过电势也是一大难题。曹余良团队认为引入催化剂或将是一种行之有效的提高正极反应活性的方法，并且降低催化剂尺寸至纳米颗粒、量子点甚至单原子级别，可以得到最大化的催化活性中心。

当然，在此项研究中，正极和钠金属负极的电解液相容性的全局考虑也至关重要。但目前关于钠金属负极和不同正极之间的研究都是相对独立进行的，关于全电池的研究相对缺乏。这些难题都是钠金属电池研究和产业化应用的阻碍。

即便如此，曹余良表示，当前对高能钠金属电池在高温中都已经有过成功的经验，证明其优势在于价格低廉和能量密度高。但室温状态下与高温钠硫电池则存在明显不同，主要体现在反应速度和电解质电导率等方面。

文章来源：《分子科学学报》 网址: http://www.fzkxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0707/1144.html