​钟澄教授课题组：锌镍电池VS铅酸电池：未来谁将是储能行业的王者？

【研究背景】

水系锌基电池被认为是一个有前途的铅酸电池的替代品，因为锌具有环保、高比容量和低成本的优势。锌镍电池作为一种有前景的锌基碱性电池，具有工作电压高、能量密度高、无毒、成本低等优点，具有广阔的应用前景。为了满足实际应用的需要，学术界对锌镍电池进行了大量的研究。目前的研究主要集中在锌镍电池中单个成分（如锌阳极、阴极、电解液）上以改进其电化学性能。然而，锌镍电池能否在竞争激烈的电池市场中占有一席之地尚不明确：（1）目前锌镍电池的技术还停留在实验室阶段，鲜有研究通过与商用铅酸电池的性能对比以证明锌镍电池的性能优势。（2）铅酸电池在发展中国家仍占据很大的市场份额，在设计铅酸电池的替代品时，很少有研究考虑到经济因素。（3）锌镍电池的实际应用示范较少，例如在电动自行车、混合动力汽车、储能系统等领域的应用。因此，需要对锌镍电池与铅酸电池进行进一步的对比研究，以论证锌镍电池作为下一代储能器件的前景。

【工作介绍】

本工作开发了本征安全的锌镍电池（20 Ah和75 Ah规格）。与铅酸电池相比，该锌镍电池具有更好的倍率性能和能量密度。演示了锌镍电池作为电动自行车和混合动力汽车动力电池的应用。此外，本工作搭建、测试了基于锌镍电池的太阳能发电系统和10 kWh储能系统。将锌镍电池相比于铅酸电池的经济优势进行了分析讨论。这项工作展示了锌镍电池的广阔的商业应用潜力。该文章发表在Journal of Power Sources上，赵泽泉博士为本文第一作者。

【内容表述】

所研发的锌镍电池由8个Ni(OH)₂阴极和9个ZnO阳极组成。阳极和阴极板交替堆叠，然后用螺栓将它们固定在阳极和阴极极上。最后采用定制ABS电池盒进行包装。ZNB的设计容量为20ah。基于上述锌镍电池电池组由8节电池串联而成，比同等尺寸的商用铅酸电池组更轻。

Fig. 1 (a) The schematic diagram of the single ZNB. (b) The photo of the 12 V/20 Ah LAB stack (left) and the 12 V/20 Ah ZNB stack (right).

本研究的锌镍电池阳极的ZnO阳极颗粒呈多边形形状，长度约为500-600 nm，分布致密，具有良好的结晶性。阴极粒子的形貌呈典型的球形，各元素均匀分布。

Fig. 2 The morphologies (a) and corresponding elemental distribution (b) of the negative electrode. The morphologies (c) and corresponding elemental distribution (d) of the positive electrode.

该锌镍电池在不同充放电速率下的放电容量和充电容量均接近20 Ah，容量不随充放电速率的增加而减小。对循环性能进行了一个多月的测试，在放电充放电率为1C，放电深度接近100%的条件下，锌镍电池在876小时(250次循环)后仍能保持良好的循环稳定性。与商用容量为20 Ah铅酸电池相比，随着充放电倍率的增加，锌镍电池组的容量并没有明显下降。此外，循环过程中两者都保持了很高的库仑效率，在相同1C放电倍率下，铅酸电池的充放电容量仅为8 Ah左右，而锌镍电池的充放电容量仍接近20 Ah。

Fig. 3 The electrochemical performance of batteries: (a) charge–discharge profiles of single ZNB at different rates from 0.2C to 1C; (b) cycling performance of single ZNB at discharge-charge rate of 1C and DOD of 100%; (c) charge–discharge profiles of  ZNB stacks and commercial LAB stack at different rates from 0.2C to 1C; (d) cycling performance of ZNB stacks and commercial LAB stack at discharge-charge rate of 1C and DOD of 100%.

锌镍电池组可以使电动自行车运行稳定。连续记录了电池充放电过程中的电压、电流、功率曲线。正电流代表充电过程，负电流代表放电过程。电动自行车经过反复充放电循环后，可以稳定工作至少25天，可以满足商用动力电池的基本要求。

Fig. 4 The application of ZNB stack on electric bicycle: (a) Photo of 15 zinc-nickel batteries before packing (right) and an electric bicycle with 24 V ZNB stack installed. (b) The operating voltage, current, and power versus time for 24 V ZNB stack in the electric bicycle for 25 days.

锌镍电池也有潜力驱动混合动力汽车（HEV）。将45个75 Ah 锌镍电池串联作为混合动力汽车的动力源。HEV的工作电流范围为1 A—120 A，试验发现，混合动力汽车在一次充电后可以连续行驶，说明电池组能够适应混合动力汽车的工况，满足商用动力电池的基本要求。

Fig. 5 The application of ZNB stack on HEV: (a) The schematic diagram of HEV. (b) The photo of HEV (left) and its assembled 75 V ZNB battery stacks (right). (c) The operating voltage, current, and power versus time for 75 V zinc-nickel battery stack in the HEV.

近年来，太阳能等可再生能源得到了广泛的利用。为了展示锌镍电池在太阳能发电系统中的应用，在太阳能发电系统中安装了一个12V 锌镍电池组作为储能装置。太阳在凌晨3:30后升起，下午3点前太阳能电池板暴露在阳光下给电池组充电。太阳能电池板产生的充电电流和电压是间歇性的、不可控的。通过储能装置对间歇性电能进行收集，可以保证在需要供电时能平稳、稳定、可靠地输出电能。18:00以后，随着太阳光线的逐渐消失，电池由充电状态变为放电状态，然后利用电池储存的能量点亮灯具。

Fig. 6 The application of ZNB stack on the solar power system: (a) The operating voltage and current versus time for the 12 V ZNB stack of the solar power system for 100 h (The data is recorded from 10:36 a.m. in the first day). (b) The photo of the lamp powered by the 12 V ZNB stack in the solar power system at night.

本工作还搭建了10 kWh的锌镍电池储能系统，进一步展示了锌镍电池在更大规模储能设备应用中的潜力。该系统由300节电池、电池管理系统、电源转换系统、连接电网的电源板和散热器组成。锌镍电池组的充放电由PCS控制。充电过程中，连接电网的电源板的交流电按照PCS设定的具体程序传输并转换成直流电输出到锌镍电池组。在放电过程中，锌镍电池组的直流电被转换成220 V 50 Hz的交流电，为散热器供电。锌镍电池组在每次充电循环后都能连续放电，表明ZNB具有作为电网级储能装置应用的潜力。

Fig. 7 The application of ZNB stack on the energy storage system: (a) the schematic diagram of a battery pack connected with BMS. (b) The photo of a 10 kWh ZNB energy storage system (1. ZNB stack with 300 batteries, 2. BMS, 3. PCS, 4. Power strip connected to the grid, 5. radiator). (c) The operating voltage and current versus time for the ZNB stack in the 10 kWh ZNB energy storage system for 150 h.

【结论】

本研究开发了本征安全的锌镍电池用于未来的基础研究和应用。在1C充放电倍率和DOD接近100%的情况下，锌镍电池的循环寿命为876小时(250次)，库仑效率高，说明锌镍电池可以在极端循环条件下稳定工作。在设计容量为20 Ah的情况下，锌镍电池组比铅酸电池组具有更好的倍率性能。组装在电动自行车上的锌镍电池组经过25天的反复充放电循环后可以稳定工作。锌镍电池组同样已成功应用于HEV，其适应了HEV的运行条件，并适应了HEV的增程系统。同时锌镍电池组作为储能器件也有巨大商业应用潜力。锌镍电池组在太阳能发电系统中工作稳定。在10 kWh的储能系统中，锌镍电池组可以连续循环。虽然在0.2C下，锌镍电池组的建设成本较高，但在更高的倍率下，锌镍电池具有显著的经济效益。相比之下，铅酸电池系统的建设成本随着电池放电率的增加而急剧增加，大大降低了经济效益。综上所述，锌镍电池组作为下一代储能器件具有广阔的应用前景。