天津大学教授杨全红：致密储能，材料和器件

“碳达峰、碳中和”目标愿景下，构建以新能源为主体的新型电力系统，为未来我国能源产业发展奠定了基调，也对我国能源清洁开发和消费模式创新提出了更高要求。

储能是构建新型电力系统的重要组成部分，能够促进能源清洁开发利用，提高能源利用效能，降低化石能源消费。

为贯彻落实“双碳”目标要求，助力构建以新能源为主体的新型电力系统，天津市发展和改革委员会、天津市滨海新区人民政府、天津市“碳达峰、碳中和”产业联盟于7月16日在天津市联合举办“2021天津储能发展论坛”。

论坛由国网天津市电力公司、国网综合能源服务集团有限公司承办，由中国综合能源服务产业创新发展联盟、中电联售电与综合能源服务分会、北京能见科技发展有限公司、中关村储能产业技术联盟协办。

此次论坛邀请了政府部门、院士、行业专家、电网企业、储能企业、新能源企业、储能投资企业等嘉宾参加。能见App全程图文直播。

天津大学教授、博士生导师杨全红出席论坛并做精彩演讲，以下为演讲实录：

杨全红：非常容幸今天有机会，汇报一下我们过去这些年，我们在致密储能方面，我们所取得的一些研究进展，我也想分享一下我们对致密储能的理解和思考。

今天很多嘉宾提到了构建可再生能源+绿色储能体系，是实现碳达峰碳中和伟大目标的必由之路。而很多老师也仿佛在强调二次电池是心脏之一，不敢说唯一的一种选择，但是心脏之一。高能量密度、体积集约化和高安全性是智能互联时代，新型储能器件的三要素。

前一段时间我突发奇想，给二次电池定义了一个幸福指数，这个可能不是很准确，这是跟我的学生在头脑风暴时聊到的。实际上电池如果要有满满的一个幸福感，必须要克服几重焦虑：里程焦虑、快充焦虑、安全焦虑、价格焦虑、空间焦虑。

怎样在最小的空间里面，存储最多的能量？纳米技术是里程焦虑和快充焦虑的解决方案，但是难于解决空间焦虑。能源互联网时代，克服空间焦虑，以及达到电池最高层次的幸福指数，还是蛮重要的。

我把它称作为最高的一重焦虑，克服了其他焦虑以后，空间焦虑是很重要的。以高体积能量密度为目标的致密储能的研发，应该说势在必行。 

我们做了27年的碳材料研究，实际上碳材料始终是电池体系最重要的核心，或者非常重要的一个关键的组分。层状结构的石墨，是锂电池子商品化的临门一脚。我们团队一直在致力于解决，或者破解电池中碳材料的问题，用碳解决电池的问题。

实际上我刚才提到，目前我们做的两个事情比较重要，第一，通过硫碳复合材料，期待可以去解决锂硫电池的问题，以及达到500瓦时每公斤，也通过硅碳，我用微比硅碳来提高电池的品质，也解决了刚才说一个是里程焦虑，一个是空间焦虑。

最近这些年比较有代表性的工作，怎么把电池缩小，在保持高质量密度的情况下，把体积上的密度给做高。还有我们解决了锂硫电池它的产业化过程当中的瓶颈问题，是500瓦时每公斤可以达到目标。

另外对大规模储能来说，纳硫的电池也蛮重要，我们在碳材料方面做了很多的工作，期待着可以解决碳的问题。锂电和纳电最大区别，锂电找到了石墨，纳电没有找到石墨。

接下来介绍一下致密储能的一些工作，随着电极整个材料体系的纳米化，储能器件越来越轻，每一公斤存储能量的能力提高了很多，充电速度也是越来越快。但越来越小是一个痛点，也就是说体积的纳米度是一个非常大的痛点。如何把提高质量的纳米技术用上，使它又拥有高体积的纳米度，研究思路就是把纳米电极致密化是提高器件体积能量密度的必由之路，我们把做成苞米花的纳米材料，做成压缩饼干，没有营养的缺失，同时味道也不能差。如果在材料学上，就是要构建一个致密多孔的材料，而对于传统材料来说，这是不可兼得。

我们在国内做石墨烯是很早的，石墨烯电池是一个伪命题，是一个名词。利用石墨烯可以解决储能中的很多问题，但是它不能改变原理。举一个例子，通过石墨烯单元的一个三维的凝胶化，碳材料中可以构建一个三维连通的孔系结构。同时我们有一个孔，然后利用溶剂，可以把三维网络不断的处理，在碳材料当中使得鱼与熊掌兼得。

超电路也是储能里面一个非常重要的器件，同时具有非常高的质量、体积比的容量。我们团队在过去十几年中，从策略、方法和材料电池器件上，去构建了致密储能器件的一揽子方案，主要是去解决科学的问题。

我想强调两点，一个是在超电容里面，可以使它体积内密度可以做到120瓦时每升，商品化超电容的空间很大。而锂电池可以做到1500瓦时每升，比商品化的锂电池，如果作为储能电池来说，比商品化的能高50%。

 

实际上，怎么样把锂电池做到体积非常小，是基于微米硅的致密储能实验室，石墨是一个非常理想的锂电池负极材料，但是石墨的容量不够高，所以现在有两套解决方案。如果从锂电池来说，负极我们用硅碳，或者未来终极用锂金属，可以很大程度提高性能。硅用于锂电负极，充电的过程当中，体积会有300-400%的膨胀，对于一颗电池来说，实在是受不了的事情。

中科院陈院士的团队一直在做，把微米硅做成纳米硅，过去20年中应该说领衔了全世界整个硅碳的发展。实际上纳米硅也有本身的一些问题，现在的硅碳没有完全的去替代石墨，只是跟石墨复配使用，可以提高锂电池的能量密度。

在15、16年开始，全世界又把目光回到了微米硅，微米硅应该很便宜，能不能直接用到锂电池上？纳米硅可以去解决微米硅很难解决的一些问题，因为颗粒一大，膨胀的时候，意味着你非常集中，所以通过纳米化，可以缓解。实际上纳米硅还是有它一些非常大的问题，实际上纳米硅的生产成本里面，70-75%来自于微米的纳米。做到纳米以后，密度就比较小，如果要直接使用微米硅，是善莫大焉，但是非常难。最重要的一点就是怎么样克服微米硅体积变化中非常大的应力，它集中的一个应力。

利用毛细蒸发技术，主要是纯碳上用的。在锂电上面利用了这个致密化的碳壳，强度非常大，韧性非常大。因此统过两重的碳壳，首先是CVD碳壳，微米硅尺度要求一个范围以内，一下子放到溶液里面，利用石墨烯凝胶化，然后溶剂脱除，利用毛细管力，就跟70年代用网兜放一堆皮球，一大网兜，就可以整成一个致密的，非常强大的一个网兜。我们可以去克服不同大小的微米硅的体积变化的问题，微米硅可以循环1000周，都没有问题。

石墨烯，大家有很多的误解，刘院士主编的一丛书里面，特别针对现在石墨烯电池的噱头有所着笔。我把石墨烯储能技术做了一个梳理，这个石墨烯+锂电池，现在成功应用，一个是锂电导电剂，可以把锂电导电剂的用量非常少。还有一个在华为的手机上面导入膜，用得非常好，如果不是中美的问题，它的市场会非常大。

还有我一直在推的智慧储能，石墨烯导电和智慧储能，我们是全世界第一篇文章。解决空间焦虑，提高电池幸福指数，石墨烯应该大有可为。致密型锂电池是一个系统工程，石墨烯全方位发力，任重道远。

把石墨做成石墨烯，就像把玉米粒做成苞米花，密度几乎一样，但是结构完全不同，利用了石墨烯做了一个纽带，我们用了完全化学的方式，做成了非常致密的碳材料，石墨烯是一个碳材料。

谢谢大家！

（根据速记整理，未经本人审核）