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Renewables期刊简介 | 副主编李先锋研究员

邃瞳科学云

2022-01-01

导读：欢迎关注Renewables 期刊

Renewables 是由华南师范大学和中国化学会联合创办，面向新能源领域的高起点国际期刊，发表能源、化学、材料等交叉学科的高水平研究论文与综述。期刊旨在服务国家重大科研战略的同时成为可再生能源领域的国际一流科学期刊，重点关注：氢能、太阳能、二氧化碳回收与转化、二次电池、可持续环境发展、生物质能等研究方向。Renewables 是一本开放获取期刊，读者可免费获取学术资源。

副主编介绍

李先锋研究员

中国科学院大连化学物理研究所

李先锋，研究员，现任中国科学院大连化学物理研究所副所长，储能技术研究部部长。国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，享受国务院特殊津贴。现为《Renewables》、《Chinese Chemical Letters》、《Advanced Membranes》副主编，《Science Bulletin》执行编委和《Journal of Membrane Science Letters》、《Sustainable Energy & Fuels》、《Journal of Energy Chemistry》、《Sustainability》、《储能科学与技术》杂志的编委，中国膜工业协会电驱动膜专业委员会委员，中国材料研究学会青年工作委员会理事。

李先锋研究员以第一作者或通讯作者身份，在Chem. Soc. Rev.，Energy. Environ. Sci.，J. Am. Chem. Soc.，Joule，Nat. Commun.，Angew. Chem.，ACS Energy Lett.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.等国际期刊上发表论文330余篇，引用10000余次，H因子62；专著3部；申请/授权中国和国际发明专利300余项。研究成果多次由Energy. Environ. Sci.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem.，ACS Energy Lett.，Adv. Mater.等期刊选为封面论文刊登，进行大篇幅重点报道。获中国科学院杰出科技成就奖（2014），国家技术发明奖二等奖（2015）等科技奖励。

李先锋研究员团队的研究方向为电化学储能技术，主要包括液流电池、铅炭电池、超级电容器、锂/钠离子电池、锂硫电池等体系的基础研究与产业化开发工作。近年来，研究团队坚持产、学、研、用密切合作的研究开发方针。通过基础与应用基础研究解决关键科学与技术问题，与大连融科储能技术发展有限公司、陕西华银科技股份有限公司、保定风帆集团有限责任公司、河南开碳新材料设计研究院、比利时科尔德集团EcoSourcen公司等开展密切合作，推动技术的工程化与产业化。

李先锋研究员团队

全钒液流电池

全钒液流电池（VFB）利用钒离子价态的变化实现能量的存储和释放，具有安全性高、效率高、寿命长等优点，是实现大规模高效储能的首选技术之一。研究团队长期致力于全钒液流电池关键材料及核心技术的研究，解决了全钒液流电池关键材料、高性能电堆和大规模储能系统集成等关键科学和工程问题，取得了一系列技术突破，完成了从实验室基础研究到产业化应用的发展过程，实施了包括2012年全球最大规模的5 MW / 10 MWh全钒液流电池储能系统在内的近40项商业化示范工程。在膜材料研究方面，打破了传统离子交换膜由于离子交换基团的引入导致的稳定性低问题，提出了“不含离子交换基团”的“离子筛分传导”机理，将多孔离子传导膜引入液流电池，解决了由于离子交换基团引入所导致的非氟离子交换膜氧化稳定性降低的问题，同时大幅度降低了材料成本。该思路为液流电池膜材料的设计开发提供了全新的思路和方法（Energy Environ. Sci., 2011, 4, 1676；Energy Environ. Sci., 2012, 5, 6299；Energy Environ. Sci., 2013, 6, 776；Energy Environ. Sci., 2016, 9, 441；Angew. Chem., 2016, 55, 3058；Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 210；Nano Energy, 2018, 48, 353；Energy Environ. Sci., 2016, 9, 2319；Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1604587；Nano Energy, 2018, 54, 73；Adv. Energy Mater., 2020, 10, 2001382）。为解决多孔离子传导膜材料存在的离子选择性和质子传导性的矛盾，研究团队设计了具有超薄分离层的复合多孔离子传导膜（Nat. Commun., 2020, 11, 2609），打破了膜材料选择性和传导性的Trade-off效应，大幅度提高了膜材料的性能。同时膜材料可实现“激光焊接”，避免了由于密封带来的成本和可靠性问题。并且优化了膜材料的规模放大技术和批量化生产工艺，建成膜材料批量化生产线，实现了非氟多孔离子传导膜的批量化生产，成功实现了液流电池用高性能、低成本非氟多孔离子传导膜材料的国产化。此外，研究团队构建了多尺度导电网络及增韧网络结构的碳塑复合双极板方法，解决了高导电性与高韧性的矛盾，实现了双极板的批量化生产，成功应用于多项MW级液流电池储能示范项目。

基于所开发的离子传导膜材料、双极板材料，研究团队突破了高功率密度电堆装配技术，提高了电堆的可靠性和自动化装配程度。开发出10 kW级和30 kW级新一代全钒液流电池电堆，相比同类型商业化电堆其功率密度提高近1倍，成本降低40%，推动了全钒液流电池产业化。研究团队突破了储能系统的高效、高集成度设计集成及智能控制技术，建立了高可靠性、高效大规模液流电池储能系统内部多储能系统模块的能量管理策略，实现了储能系统高效设计、集成、智能控制与模块化等的耦合。依托研究团队技术，融科储能公司在国内外实现了多套MW级以上液流电池储能系统集成与应用示范，包括大唐国际镇海网源友好10 MW / 40 MWh风电场、国电投驼山网源友好10 MW / 40 MWh风电场、河南风光储1 MW / 4 MWh微电网、美国Snohomish Pud 2 MW / 8 MWh变电站、意大利Tern 500 kW / 2 MWh变电站等多个储能项目，推进了液流电池在电网发电、输配电及用户侧等领域的广泛应用。

在国家及地方政府的大力支持下，成功推进了全球最大200 MW / 800 MWh全钒液流电池储能调峰电站国家示范项目一期工程（100 MW / 400 MWh）的全面开工建设。目前，100 MW储能系统项目已基本建设完成，有效推动了液流电池产业化。同时，基于新一代液流电池电堆的技术许可给开封时代新能源科技有限公司，建设300 MW/年的生产线，与比利时科尔德集团EcoSourcen公司签订合作协议，成功将新一代液流电池电堆技术在欧洲推广应用。

李先锋研究员团队在全钒液流电池领域的研究

锌基液流电池

除了在发电侧、输配电侧的大规模全钒液流电池储能技术以外，近年来，研究团队布局了面向分布式能源的锌基液流电池储能技术。锌基液流电池具有安全性高、能量密度高、成本低等优势，在储能领域具有很好的应用前景。但锌基液流电池中锌负极涉及液-固相锌的沉积溶解反应，容易导致锌的不均匀沉积、锌枝晶等问题，造成电池短路失效、循环寿命短、且沉积过程中，电池容量受限于电极上可供锌沉积的有效空间。针对这一关键技术问题，李先锋团队对锌基液流电池中锌沉积形貌的演变和沉积机理进行深入的研究，原位成像等手段研究锌的沉积过程（Energy Environ. Sci., 2021, 14, 4077）。通过电极结构设计，降低锌的沉积过电位（Adv. Mater., 2020, 32, 1906803），增加锌沉积位点，调整锌沉积形貌（Sci. Bull., 2021, 66, 9, 889；ACS Energy Lett., 2021, 6, 8, 2765；Adv. Mater., 2019, 31, 1902025），大幅提高锌基液流电池可靠性。针对锌基液流电池正极氧化还原电对活性低、动力学性能差的关键科学问题，设计、制备出兼具高活性和固溴功能的笼状多孔碳电极材料，实现了其在锌溴液流电池中的应用（Adv. Mater., 2017, 29, 1605815）；利用吸附、催化等原理，设计、制备出高活性电极材料，大幅提高了锌基液流电池的工作电流密度，为高功率密度、低成本的锌基液流电池的开发奠定了良好的基础（Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2102913；Adv. Mater., 2019, 31, 1904690；Nano Energy., 2016, 21, 217）。

锌基液流电池在充电过程中，负极锌枝晶的生成对膜材料提出了更高的要求。根据锌基液流电池对膜材料的要求并基于对离子传导膜的深刻认识，从膜材料结构设计的角度调控膜与电极界面性质，包括温度分布特性（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 6715）、活性物质浓度分布特性（Nat. Commun., 2018, 9, 3731；J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 33, 13135）、空间分布特性（Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2102913）等来调控锌的沉积历程，避免了枝晶对隔膜造成的破坏，大幅度提高电池的循环稳定性，解决了锌基液流电池锌负极面容量受限的问题。通过深入研究锌基液流电池用膜材料构效关系及离子传输机理（Nat. Commun., 2021, 12, 3409），实现了膜材料离子选择性和传导性的同步提升，显著提高了电池功率密度。

为解决锌基液流电池正极活性物质渗透到负极造成的电池自放电及溴等活性物质的腐蚀问题，团队通过电解质溶液化学的研究，在电解液中加入活性物质络合剂，络合剂与活性物质络合并独立成相，降低电解液中游离态活性物质含量，改善正极活性物质腐蚀及渗透问题（Adv. Mater., 2020, 32, 49, 2005036；Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2100133）。进一步通过正极氧化还原电对的研究，先后开发出新一代高能量密度低成本中性液流锌铁液流电池体系（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 14953），高能量密度、长寿命锌碘液流电池（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 11171），高能量密度、长寿命锌碘单液流电池（Energy Environ. Sci., 2019, 12, 1834）及基于Mn²⁺/MnO₂可逆双电子溶解-沉积型反应的锌锰液流电池体系（Energy Environ. Sci., 2020, 13, 135），大幅提高了锌基液流电池的能量密度。

在上述研究基础上，研究团队以锌基液流电池关键材料的设计、开发、制备为主线，一定程度上解决了锌基液流电池锌枝晶、面容量受限、循环寿命及功率密度偏低等关键技术问题；突破了高功率密度、高可靠性电堆的结构设计与组装技术，将锌基液流电池电堆面容量提高至160 mAh/cm²。并与企业合作集成出10 kW级锌溴单液流电池示范系统及10 kW级碱性锌铁液流电池储能示范系统。研究工作为锌基液流电池工程化和产业化开发奠定了坚实的基础，为推动其在用户侧储能领域的普及应用提供了关键技术支撑。

李先锋研究员团队在锌基液流电池领域的研究

液流电池新体系

目前多数液流电池体系仍然面临成本高以及能量密度偏低的问题。能量密度低主要在于电解液的溶解度受限以及活性物质分子的电子转移数较低；而成本较高主要来源于电解液的成本居高不下。为了降低电解液的成本，同时提高电池的能量密度，推进液流电池的可持续发展，研究团队开展了液流电池新体系探索工作。为了降低电解液的成本，选择以廉价Fe²⁺/Fe³⁺作为正极电对，通过引入络合剂来抑制正极水解问题，从而开发出了一种较为稳定的中性锌铁液流电池体系，大大降低了液流电电池的成本（Angew. Chem., 2017, 56, 14953）。在此基础上，为了进一步提高电池的能量密度，选择以更高溶解度的I₃^-/I^-作为正极电对，选择Daramic多孔膜作为膜材料来抑制负极锌枝晶，实现了较高的能量密度和循环稳定性，并初步完成了千瓦级电堆的放大工作，进一步验证了其实用性价值（Angew. Chem., 2018, 130, 11341, VIP paper Back cover）。在锌碘液流电池的基础上，通过对电池结构的设计和优化，提出了锌碘单液流电池体系，从而提高了电解液的利用率和电池能量密度（Energy Environ. Sci., 2019, 12, 1834）。此外，以多价态的锰作为研究对象，通过引入配体的方式实现了Mn²⁺到MnO₂的双电子转移工作，避免了其中的副反应，提高了电池的能量密度（Energy Environ. Sci., 2020, 13, 135）。

在有机液流电池新体系领域，研究团队在常见的负极活性物质甲基紫精的基础上，通过亲水性羟基的引入来提高双电子转移产物的水溶性，继而提高了电池的能量密度（Chem. Commun., 2019, 55, 4801）。另外，在醌类电池的基础上，通过在苯醌上引入亲水性的季铵基团来提高其溶解度，并且通过共轭结构提高其电化学稳定性，使其成为可以在空气中稳定运行的有机电池体系（Sci. Bull., 2021, 66, 457），提升了有机液流电池的实用性。

钠离子电池

钠离子电池具有资源丰富、性价比高、稳定性好等优点，有望在中低速电动车及大规模储能领域取代或部分取代锂离子电池和铅酸电池获得广泛应用。适用于钠离子电池的电极体系主要包括3类：氧化物类、普鲁士蓝类和磷酸盐类。相比于前两种体系，聚阴离子型磷酸盐因结构稳定、钠扩散快、安全性高等优势成为高比能、高比功率、高稳定性钠离子电池的优选正极材料。

研究团队于2016年开始布局聚阴离子型磷酸盐基钠离子电池技术。结合市场对新型储能电池在资源、成本、性能多方面的准入要求考虑，研究团队瞄准中低速电动车和大规模储能应用领域的迫切需求，梳理并确立了由高比能、高稳定性V基磷酸盐到低成本Fe、Mn基磷酸盐基钠离子电池体系的技术发展路线。通过近5年的努力，初步解决了磷酸盐基钠离子电池中存在的关键技术问题，开展关键材料中试规模制备、大容量电芯器件集成等相关工作，开发出了系列磷酸盐基（Na₄V₂(PO₄)₃、Na₄VMn(PO₄)₂F₃、Na₄VMn(PO₄)₃、Na₄VMn_0.5Fe_0.5(PO₄)₃和Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇）钠离子电池软包电芯。

在基础研究方面，先后攻克了钠离子电池技术磷酸盐正极电导率低、稳定性差(Adv. Energy Mater., 2021, 11, 17, 2003725；Adv. Energy Mater., 2021, 11, 21, 2100627；ACS Energy Lett., 2019, 4, 1565；Nano Energy, 2018, 47, 340；J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 4209；J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 22, 10928；J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 19170)，碳基负极储钠动力学慢( Angew. Chem., 2021, 60, 25013；J. Power Sources, 2021, 496, 229834)，固液界面成膜机理不明确等（Chem Eng J., 2022, 430, 133143）系列关键科学问题。在关键材料和器件研发方面，实现了高性能磷酸盐电极材料、电解液的小批量生产，开发出了0.35-10 Ah级不同规模磷酸盐基钠离子电池电芯。相关技术共申报发明专利40余件，获授权专利13件，形成了较为完整的自主知识产权体系。通过三方检测，自主研制的第一代5.2 Ah级磷酸钒钠基钠离子电池电芯比能量＞127 Wh/kg，第二代5.7 Ah级氟磷酸钒钠基电芯比能量＞140 Wh/kg，可实现6 min快充；且自主研制的钠离子电池电芯顺利通过国军标《锂离子蓄电池通用规范》的针刺测试，表现出优异的安全性。

李先锋研究员团队在钠离子电池领域的研究

锂基电池

5.1. 锂基负极材料

研究团队自2017年开始致力于锂基负极材料的研究，主要包括锂离子负极材料和锂金属负极材料。在锂离子负极材料方向，团队从高性能新型负极材料探索、性能优化策略研究和材料储锂机理研究等多个维度，对硬碳和金属氧化物负极材料进行了研究，为更高性能锂离子电池开发提供新的思路。研究团队提出了一种“先予后取”预锂化策略来提高硬碳负极容量并将其应用于宽温度区锂离子电池（Nano Energy, 2019, 66, 104175）。此外，团队设计出一种具有快速Li⁺体相扩散能力的微米级H-Nb₂O₅单晶（MSC-Nb₂O₅）材料作为锂离子负极材料，并利用聚多巴胺贻贝效应在MSC-Nb₂O₅颗粒表面引入均匀包覆的氮掺杂无定型碳，大幅度提高了材料的倍率性能和循环稳定性（Adv. Mater., 2020, 32, 2001001）。

在锂金属负极材料方面，利用界面调控和电极结构设计提高锂负极的稳定性，延长锂金属电池循环寿命。并深入研究锂金属固态电解质界面层（SEI）的结构与形成机制，指导锂金属负极的界面改性。例如研究团队引入硝化纤维素作为功能性添加剂，利用其低LUMO能优先在锂表面一步形成聚合物-无机层，抑制溶剂的分解（Angew. Chem., 2021, 133, 11824）。为进一步提高锂金属电池性能，通过调控溶剂组分，引入络合剂，不仅可以抑制多硫化物的飞梭，同时也能在锂表面构筑稳定的SEI，实现锂硫电池软包电池长循环寿命（Nano Energy, 2017, 39, 262；Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704987）。除了调控锂/电解液界面，团队还设计了与玻璃纤维复合的直立型锂金属负极，该复合电极具有高吸液率和高比表面积，在高电流密度下沉积也具有优异的循环稳定性（Adv. Funct. Mater., 2019, 1806752）。

李先锋研究员团队在锂负极材料领域的研究

5.2. 全天候锂离子电池

高海拔、高纬度、高热、极寒地区等地区，特种设备、极地科考、深海深空探测、等高价值应用领域，对耐宽温动力电源需求迫切。而商业化锂离子电池在低温环境（≤-25℃）充电能力较差、放电容量低，在高温环境（≥45℃）产气、容量衰减严重。近年来，团队一直致力于低阻、高稳定性电极材料、全天候电解液的设计制备，耐宽温、大容量锂离子电池器件和系统集成等研究（申报发明专利17件，获授权专利6件）。由其组装的48 V车用启停电源用8 Ah大容量电芯，在保持55 ℃高温稳定充放电的前提下，较商业化产品其内阻大幅降低，在全SOC范围下的功率特性显著提升，其稳定性特别是高温稳定性得到显著改善。在极低温电池开发方面，通过电极材料和电解液优化，自主研制出在-50 ℃仍可实现可逆充放电的5.2 Ah-20 Ah电芯。通过中检集团的三方测试，所研制的5.2 Ah电芯在-40 ℃充放电的能量密度超过161 Wh/kg，展现出良好的应用前景。