加拿大工程院院士、理士国际首席科学家张久俊：太阳能电存储及其相关的电化学能源技术

目前，新能源的发展具有两大驱动动力，第一，人类的发展以及可持续性必须有能源，并且必须是新能源、清洁能源。第二，人类要可持续发展，必须有清洁的环境。太阳能取之不尽、用之不竭，作为新能源具有天然和无与伦比的优势。

2017中国(深圳)Solar plus国际高峰论坛将在深圳国际会展中心隆重举行，8日上午，加拿大工程院院士、理士国际首席科学家张久俊为我们分享了《太阳电能存储及其相关的电化学能源科技》。

会议实录如下：

今天给大家介绍一下太阳能能源储存，以及能源储存用的电池，我演讲的题目是“太阳能电存储及其相关的电化学能源技术”。

为什么要发展新能源?实际上这个背后有两大驱动力，第一个驱动力是人类的发展以及可持续性必须有能源，并且还是新能源、清洁能源。第二，人类要可持续发展，必须有一个清洁的环境，现在很多城市的空气污染这么严重，这是不行的，我们的水质也被污染得很严重，这是不可持续发展的。所以有两大驱动力，使得目前地球上的人类要发展新能源。

能源到底有哪些呢?这里列出了两大类能源，第一类是Renewable Energy，也就是清洁能源或者是可持续能源，包括水力发电、太阳能、生物能、风能、地热能等等，都叫做可持续能源。第二类是Fossil Energy，这是不可再生能源，用一点就少一点，包括天然气、石油、核能。

现在我们主要是靠地球储存的化石能源，造成了什么样的结果呢?图中白色的部分是这个地球上总体存储碳，这个图叫做碳平衡，包括海洋里的碳、空气里的碳、土壤里的碳和植物里的碳，这是总体的碳。我们再看这个黄色的部分，这是一种动态的二氧化碳的平衡，有的溶解到海里面，有的从土壤吸收，然后再释放出来，假如没有人类活动，这种碳是处在平衡状态。自从有了工业革命以后，就出现了图中红色部分，这个红色部分就是因为人类活动，燃烧化石能源对空气中排出的净二氧化碳，每年有大量的二氧化碳排到空气，这就会造成什么样的情况呢?我们可以看到这里的二氧化碳排放，主要来自几个方面，一是制造业，二是能源业，主要是发电行业，第三是汽车排放，以及其它部分。每年从空气里释放的二氧化碳有31.6Gt，造成了环境污染。

多余的二氧化碳也造成了温室效应，温室效应可以产生一系列的严重后果，我昨天还在读一本书，介绍温室效应在未来几十年会产生什么样的后果。这里列举了南极、北极冰川的溶解，因为温室效应、温度上升，造成了北川溶解，暴风雨、台风就变得非常频繁，然后干旱也时有发生。另外我们食用的清洁水也越来越少了，因为污染变重，所以食用纯净水也变少，并且有很多物种不能适应新环境，不断地消亡等一系列后果。

对于可持续性，到底目前燃烧不可再生能源还能燃烧多少年?这是一个大体统计，这里列举了4种最基本的不可再生能源，包括天然气、石油、碳、核能，第二列是目前世界上存储总量，第三列是每年消耗量，这样就可以看出来大约在多少年内，地球上的能源就会被消耗殆尽。我们可以看到天然气大概在50年左右用完，最多可以用150年的时间让我们来发展新能源。按照现在的速度，以及现在燃烧效率是这样一种情况，即使我们利用能源的效率提高一倍，这个时间也只有300年，也就是地球上的化石能源只足够人类消耗300年，300年在人类历史长河中就是一瞬间，所以发展新能源是必须的，并且是非常紧迫的。

假如我们发展新能源，首先是太阳能，来看太阳能是什么样的情况，这里列出的是在世界上不同范围、不同区域从2011年到2040年太阳能产生电能的预测。我们可以看到，到2040年，地球上的太阳能发电，每年有1万亿度电，相当于三峡电站发电量的10—12倍。

目前整体太阳能转换效率还有待提高，我们目前用的太阳能板大概是18%到23%的转化效率，当然有的实验室能做到更高，但是真正工业化的效率还有待提高。

2016年全球研发可再生能源技术的投资规模非常大，包括太阳能、风能、生物能。在太阳能领域的投资达到4420亿元人民币，这是非常大的数。中国太阳能目前占全世界太阳能的40%。

我们再看看新能源目前到底占到我们总体使用能源的多少，这里我列出了几种，这里我们可以看到目前燃烧的能源，26%是天然气、36%是石油、8%是核能，可持续能源只占9%。是很小的一部分。目前我们的太阳能只占整体能源里面的2%，所以这是很小的一部分。

我们知道太阳能是可持续能源，为什么发展还这么慢?我们可以看到这里有几个大挑战，第一个挑战，太阳能或者风能是不稳定的，比如说在有太阳的时候它可以发电，没太阳的时候就发得很少，光强不一样，发电不是很平滑的，不像传统能源的发电，产生的电都是一样的，太阳能发电随着时间变化，就像噪音一样，假如你不把它弄平滑，它就是一个废电，不稳定，可靠性不足。第二个挑战是电的分配、运输也很困难。第三个挑战，由于前面的两个问题，这个电往大电网配的时候，如果不平滑，就不让你往里面放。第四个挑战，太阳能电站的投资很大，投资回报率比较低，投资回报时间比较长。

为了克服这四点，我们就必须发展一个储能技术，把太阳能、风能瞬间的能源变成一种能源储存起来，在用的时候再放出去。只有这样才能有一个平滑电能往里面输。所以必须要发展储能，储能是目前太阳能领域或者风能领域必须要发展的。

那么，目前有哪些储能技术呢?这里列了几种，第一种是电化学储能，这一点大家都有感触，我们手机里的锂离子电池就是这种储能方式。铅酸电池、锂电池，这都叫电化学技术，把太阳能发电打进电池储备起来，需要电的时候再放出去，这样放出去就是很平稳的。第二种是fly wheels，这个就不多讲了，第三是压缩空气，把空气压到地底下很深的地方，用的时候把它放出来，用机械能发电，当然这个效率很低。第四是水电站里面不需要电的时候，还要放水，把水通过发的电抽到一个子水库里面，再需要电的时候再发电。在这些方式里面，电化学储能是最可靠方式，并且是最有效方式。

我们看看电化学储能有哪些方式，我列出了大概10种，实际上不限于这10种，包括有锂电池、铅酸电池、燃料电池、电解水等等，这些都属于电化学储能电池。在大电网里面，未来智能电网方面，电池要变成一个最核心的单位。尤其刚才在讨论电网问题，因为现在发展微电网，其中的电化学元件就更加重要了。

这是我在过去10年和我的博士后、老师、朋友、同事在一块出的书，这些书里面都把所有的电化学能源包括进去了，每一本书都涵盖一种技术，大家如果感兴趣的话，可以上网看一下，大概有20多本书。

下面就详细地给大家讨论一下各种电池的优越性，以及它存在的问题。第一个是目前发展前沿但是还没有商品化的，就是液铝电池，它把电能储存在电解质里面，可以任意扩大它的电解质，电化学活性物质在电解质里面，不是在电池里面，所以它就有这样的优势。目前发展也是非常快，在这方面的研究方向主要是发展新材料，包括电解质材料、电极材料、膜材料，增加能量密度，增加它的寿命，然后把这个系统要进行优化，降低材料价格，这是液铝电池。

第二个是铝离子电池。现在很多汽车不能用的铝离子电池，至少还有百分之七八十用于储能。铝离子电池的优势就是能量密度和功用密度都很高，它的寿命对于储能来说也相当不错，但是也有它自身的问题，如果在汽车里面用，它的寿命显得不够长，另外一个就是安全问题，目前我们用的是液体铝离子电池，所以这里用的是液体电解质，我们在做的时候，尤其在大电流放电时可能产生高热，假如这个热散不出去，就会烧掉或者是爆炸。尤其是现在要发展三元体系，三元体系的活性很高，任何东西活性太高，它的稳定性就差。目前它的应用最多就是在新能源汽车上，当然在储能上现在也有很多在用。主要的研究方向，现在铝离子电池的能量密度已经达到了一个瓶颈，怎么样增加它的能量密度，怎么样增加它的寿命，还需要进一步发展新材料，以及对电极层的优化，这是铝离子电池。

这是我们做的一些铝离子电池方面的工作，合成了一些纳米材料，作为铝离子电池的阴极材料。

第三种是铅酸电池，这个电池是理士国际目前主要的业务，铅酸电池目前看来是最可靠的，最能商品化的储能，大规模、中规模、小规模都比较可靠，这个铅酸电池有几个好处，第一是便宜，我们现在发展任何电池都没有铅酸电池便宜，第二是安全性，它比铝离子电池安全多了，你没有听说过那个铅酸电池着火或者爆炸的情况，铝离子电池往地上摔了之后，说不定会爆炸，但是铅酸电池怎么摔都不会爆炸，所以它很安全。第三是铅酸电池总体的材料可以完全回收，电池损耗以后，我可以把里面的材料全部拿回来再利用，这个优势是其它电池做不到的。所以铅酸电池是目前在储能里面，尤其在新能源储存里面最成功、最可靠的方式。我们在发展新能源储能的时候要发展铅酸电池，铅酸电池怎么发展呢?目前有几个方面，它的能量密度还不够高，所以第一个是要于是电极组份，活性组份优化，添加一些碳等等，第二是要让它轻量化，减少铅的用量，把铅网变成碳网。第三是去掉一个电极，有这样三个铅酸电池的研究方向。铅酸电池假如能够达到能量密度在80左右，我们就可以取代很多的电池。

另外一个是超级电容器，这也是一种储能方式，我们都听说过超级电容器，它的最大优点就是充放电时间特别快，在秒级就可以放完，它的功率密度非常高，但了能量密度很低，所以超级电容器也要发展，一个是利用它的寿命差，第二个是它的工业密度高，可以用来提高它的能量密度。

在这方面我们也做了很多工作。

另外一个方向是电解水，用太阳能发电把水分解变成氢气，氢气本身就是一个能源携带者，我们在用的时候把氢气通过燃料电池转变成电，这样就达到一个储能的目标。但是目前它的能量效率相对比较低，技术还是相对比较成熟的，所以这个目前也是一个发展储能的热点。

另外我再说说二氧化碳和电化学还原，现在我们二氧化碳排了很多，能不能把二氧化碳通过电化学的方法，通电转变成有用的小分子，转变成甲酸、甲醇等等，这样来达到一个储能的效果，并且又达到一个减少二氧化碳排放的目的。加拿大目前也在做很多这方面的工作，目前面临的挑战就是催化剂的寿命很短，现在这方面也是我们研究的热点，也是中国科技部目前资助的研究。这方面是有长远战略前景的方法。

目前用于太阳能转变到底有多大的市场规模，我们这里列出了几个，一个是液铝电池，然后是铝离子电池，还有铅酸电池和超级电容器，我们可以看到到2025年，整体的市场的情况，液铝电池大概会达到38亿美金，铝离子电池可以达到260亿美金的市场，铅酸电池的市场还是最大的，可以达到将近400亿美金的市场，超级电容器相对要小一些，但是和液铝电池差不多。所以我们用太阳能储能这样一个市场是潜力巨大的，所以我们不光要发展太阳能，还要发展储能，要把储能发展起来。

总结来说，目前人类消耗化石能源非常快，所以我们必须面对这样的情况，能源消耗过快，并且造成环境的污染，我们一定要发展新能源，发展可持续能源。我们发展可持续能源，目前有几大挑战，这种挑战就迫使我们必须要发展能源的储存技术。这个能源储存技术，电化学能源储存技术是众多的能源储存技术的一种最可靠、最有效、能量效率最高方式，所以对于储能，发展电化学技术，主要是集中在铅酸电池、铝离子电池、液铝电池与水电解、二氧化碳还原，电化学技术有很多种，这样六七种方式是我们目前发展最重要的方向。

要增加电池能量密度，增加功率密度、增加寿命、减少价格，这四大方面都要齐步往前走，在这些方面都要下工夫，进一步提高能源的效率，提高商品化程度，其中提高寿命是至关重要的。

(发言为现场速记整理，未经嘉宾审核)