鋰電池的安全問題一直未被有效解決。

金屬鋰在充放電過程中容易出現(xiàn)鋰枝晶，堅硬的鋰枝晶會刺穿隔膜引起短路和著火，所以科學家選用石墨替代金屬鋰作為負極材料。充放電過程中，鋰離子隨著電解液在正負極間往返運動。

但是這依舊無法杜絕鋰枝晶的形成，當正負極材料中嵌入的鋰超過了承載范圍，依舊會出現(xiàn)鋰枝晶，帶來安全隱患。此外，有機電解液在高溫下會燃燒，也會帶來爆炸風險。

而鋰電池作為新能源的重要載體，無論在出行，還是儲能方面，都被寄予厚望。電網(wǎng)儲能技術(shù)就是通過建立規(guī)?；瘍δ茈娬?，在用電低峰期將風能太陽能等能源存儲起來，在用電高峰期再放電，緩解高峰期的用電壓力。

鋰電池儲能電站是目前的主流方法之一，以磷酸鐵鋰電池為主的鋰電池建設(shè)的儲能電站，已經(jīng)在浙江、湖南、江蘇等省份建立。比起電動汽車，大規(guī)模推進鋰電池電網(wǎng)儲能技術(shù)，在安全上要求更為嚴格。

電網(wǎng)儲能相當于上萬個電池在一起，規(guī)模比電動汽車大得多，假如出了安全性問題的話，是非常致命的，影響的范圍也會非常的大，并且影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定性。所以說它的安全性要求更嚴格。鄭州大學副教授金陽告訴《麻省理工科技評論》我國。

最近，他憑借發(fā)明的新型固態(tài)電解質(zhì)熔融鋰金屬電池體系，入選《麻省理工科技評論》35歲以下科技創(chuàng)新35人。

這種全新的鋰電池體系，采用固態(tài)電解質(zhì)，以熔融金屬鋰作為負極材料，兼具高能量密度、低成本、高安全性的特點，是未來鋰電儲能的理想方法。

圖|《麻省理工科技評論》35歲以下科技創(chuàng)新35人2020年我國區(qū)榜單入選者金陽

以高導鋰陶瓷管作為電解質(zhì)的新型電池體系

金陽的本科專業(yè)是電氣工程，在碩博連讀期間，他前往美國麻省理工學院，跟隨李巨教授做研究期間開始接觸電池的研究。隨后，他又前往斯坦福大學，跟材料學學者崔屹繼續(xù)研究鋰電池。新的鋰電池體系就是在崔屹老師的指導下開始的。

其中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)是一個U型的陶瓷管，由它來負責傳導鋰離子，同時又阻止聚硫化物或聚硒化物的穿梭效應。這個結(jié)構(gòu)要燒結(jié)來實現(xiàn)，金陽從美國崔屹老師的實驗室做到清華大學陶瓷國家重點實驗室。

這是因為U型管底部的曲面結(jié)構(gòu)成型條件復雜，在崔屹老師的實驗室中，金陽嘗試了半年都沒有成功。交流期滿，他想繼續(xù)把研究做下去，聯(lián)系到在清華大學陶瓷國家重點實驗室的伍暉副教授，繼續(xù)在清華訪學了一年。

以這種陶瓷管作為電解質(zhì)的新型電池體系的結(jié)構(gòu)簡單，U型陶瓷管作為電解質(zhì)，負責傳導鋰離子，在U型管內(nèi)外分別裝載正負極材料。電池的負極采用熔融的金屬鋰，正極采用熔融合金。液-固-液的結(jié)構(gòu)設(shè)計讓正負極液體和電解質(zhì)之間充分接觸，在充放電過程中可以實現(xiàn)鋰離子的快速運輸。電池工作過程中，正負極材料都是熔融的金屬，高于鋰本身的熔點，鋰晶枝無法出現(xiàn)并且存在，這就杜絕了鋰晶枝帶來的安全隱患。并且，固態(tài)電解質(zhì)即使在高溫情況下也不會燃燒，電池也因此更安全。

圖|新型電池結(jié)構(gòu)（來源：NatureEnergy）

這種新型的電池的電流密度高達500mA/cm2（175mW/cm2），庫倫效率平均可達到99.98%。此外，這種電池的工作溫度也大大降低。和自1960年代以來報道的其它液態(tài)鋰金屬電池相比，工作溫度從450C降至240C。這一工作溫度下可以使用聚合物材料進行密封和絕緣，降低了電池的生產(chǎn)成本。

金陽介紹，假如電池在500度左右工作，要通過陶瓷焊接進行密封，成本較高。而在200多度的條件下，可以使用硅膠進行密封，這就降低了電池的成本。

陶瓷電解質(zhì)耐高溫的特性也為電網(wǎng)儲能的情景下供應了更多的安全保障。無論電池體系做多大，運行功率多高，即使瞬間溫度提高到四五百度，也沒有任何問題，因為陶瓷是在一千多度的環(huán)境中燒結(jié)出來的。此外，假如運行溫度突然下降，電池也會完全停止運行，重新恢復到原來的運行溫度后，電池可以續(xù)接啟動。

在入職鄭州大學電氣工程學院之后，金陽在院領(lǐng)導的支持下成立鄭州大學電網(wǎng)儲能和電池應用研究中心，并擔任研究中心負責人，將這一電池體系的研究繼續(xù)推進。

基于原有的固態(tài)陶瓷電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，開發(fā)了液態(tài)鋰硫和鋰硒電池，能量密度可以超過500wh/kg和1000wh/L，并且將能量成本降低到$20/kWh。電池還具有高功率特性和大于1000次的長循環(huán)壽命，以該電池作為動力的電動汽車可以實現(xiàn)6分鐘內(nèi)快速充滿電。

持續(xù)推進電網(wǎng)儲能領(lǐng)域研究：提取高純度鋰金屬，探測微量鋰枝晶

金陽在鄭州大學擔任電網(wǎng)儲能研究團隊負責人，開發(fā)了新的鋰電池體系后，他從現(xiàn)實需求出發(fā)，持續(xù)進行研究。

從生產(chǎn)成本的角度考慮，儲能電網(wǎng)的規(guī)模大，和光伏、太陽能等發(fā)電技術(shù)配合使用，降低成本的需求更迫切。

金陽告訴《麻省理工科技評論》我國，像光伏風能它本身的成本已經(jīng)很低了，假如說我們儲能的成本降不下來的話，其實是無法和新能源相配合的，也不好去建儲能電站。

2016年的《我國鋰礦調(diào)查報告》顯示，我國有豐富的鹽湖鋰礦，占到全國鋰資源的70%以上。要利用好這些鋰礦，可持續(xù)性地生產(chǎn)高純度鋰非常重要。

新電池體系中的陶瓷固體電解質(zhì)具有高鋰離子選擇性。金陽利用這一特性，開發(fā)了一種從低純度氯化鋰直接提取高純度鋰金屬的方法。利用固體電解質(zhì)關(guān)于鋰離子的單一選擇性，可以篩除鉀、鈉等其他的金屬，提取出來的金屬鋰純度大于99.7%，并且將生產(chǎn)成本降低為當前國際鋰金屬價格的20％以下。

下一步，金陽計劃將新型鋰電池體系進行產(chǎn)業(yè)化，首先是將單體電池盡量做大，從而減少電池系統(tǒng)管理的復雜度。金陽表示，希望能將單體電池做到實驗室原型的十倍、甚至百倍大。在單體電池基礎(chǔ)上，完成100Kw的固態(tài)電解質(zhì)熔融鋰金屬電池模組中試，之后再建立2MW的儲能示范電站。

不過在新型的電池體系落地產(chǎn)業(yè)之前，眼下的儲能電網(wǎng)重要采用有機電解液磷酸鐵鋰電池，更緊迫的是要解決安全隱患，也就是充放電過程中鋰枝晶析出帶來的火災爆炸風險。

金陽和國家電網(wǎng)江蘇省電力公司合作進行研究，開發(fā)出一種基于氫氣探測的微量鋰枝晶析出靈敏檢測方法。

實驗發(fā)現(xiàn)，微量鋰枝晶析出的時候，會和石墨負極聚合物粘結(jié)劑發(fā)生反應，從而出現(xiàn)氫氣并溢出電池。氫氣在空氣中不存在，而目前商用的氫氣探測器的靈敏度能夠達到1ppm。在電池溫度沒有異常時，微米級的鋰枝晶（質(zhì)量約0.00028毫克，半徑約50微米）的析出也會觸發(fā)氫氣探測器報警。用這種將方法供應早期信號，預警時間比熱失控提前10分鐘以上。這種方法可以供應儲能系統(tǒng)整體早期安全預警、消除熱失控事故發(fā)生。

圖|利用氫氣探測微量鋰枝晶析出（來源：Joule）

江蘇省954.6MW的儲能電站已經(jīng)安裝了氫氣探測器，金陽團隊還參和修訂了鋰電池儲能電站的消防安全標準，規(guī)定新建設(shè)的儲能電站必須配備氫氣探測器以確保安全。

如今身為老師，金陽也在將從李巨、崔屹兩位老師身上學習到的科研態(tài)度傳給學生。

他從兩位老師身上體會最深的就是能夠去想別人沒有做過的東西，嘗試革命性的研究。兩位老師都堅信，做研究就是要改變世界，他也在向這個方向努力。作為一位青年科學家，做出研究貢獻的同時能夠培養(yǎng)學生，兩者都讓他體會到滿足。

金陽回憶跟隨李巨老師做實驗時的嚴格要求。老師會要求他把實驗的每一個細節(jié)每一個內(nèi)涵都搞清楚，非常難實現(xiàn)的驗證也會嘗試去做。這樣最終成果的質(zhì)量就會非常高。跟隨崔老師做研究時，開組會進行頭腦風暴，大家一起討論各種想法，雖然很多想法最終會被否定，但是這個過程鍛煉了思維能力。

我現(xiàn)在也會去想，什么東西別人壓根都不會去想，也不會去做，但是這個東西確實有用。這也是一個思維的和創(chuàng)新的能力，我覺得這個很重要。