水系氢气电池：大规模储能的新选择，前景广阔但挑战重重

水系氢气电池：大规模储能的新选择，前景广阔但挑战重重

水系氢电池其实就是利用氢氧化还原反应作为电极的可充电二次电池，不需要消耗氢气，而是自行产生氢气。

——中国科学技术大学陈伟

2023年10月31日至11月2日，SNEC第八届(2023)国际储能技术、装备与应用(上海)会议在上海举办，会上，中国科学技术大学陈伟教授作了题为《水系氢电池》的报告。

大规模储能前景广阔，特别是在风电、光伏发电比传统电站更便宜的情况下，大规模储能将发挥非常重要的作用。不管是发电侧，输电侧，还是使用侧，储能都发挥着非常重要的作用。大规模储能对电池的挑战很大，主要集中在以下几个方面：第一，寿命，需要长达18年甚至30年，需要1.1万次循环，如果每天充放电三次，就需要3.3万次稳定循环，这个难度非常大。第二，储能电站需要适应全国的温度范围，比如低温零下三四十度，高温五六十度都要保持工作。第三，安全性，必须绝对安全。

目前市场上比较成熟的技术有铅酸电池、高温钠硫电池、全钒液流电池。这些电池都不是完美的，比如铅酸电池价格便宜，但寿命短；锂离子电池生产密度高，寿命长，但其实还是存在热失控、安全隐患的风险。比如全钒液流电池发展得很好，但价格昂贵，能量密度低。所以他提出了氢二次电池的概念，适合大规模储能。水系氢电池其实就是以氢气的氧化还原反应为电极的可充电二次电池，不需要消耗氢气，氢气是自己产生的。

具体来说，只要涉及到氧的氧化还原，它的弱电位就比较高，水电解的过电位和燃料电池的过电位都要求空气电池要0.3伏。以氧的氧化还原为电池，过电位超过0.5伏，但氢电池已经接近氧化还原，理论上过电位可以低到0伏。所以氢电池有几个特点，反应动力学快，价格相对较低，容量大，稳定性好，安全性有保障。所以研究团队这几年围绕氢电池正极材料、负极催化剂、电解液的设计和优化做了一些工作，希望实现超长寿命、宽温度范围、低价格的新型电池体系。

陈炜团队对氢催化剂和电解液进行了研究，开发了不同的氢电池体系，包括新型镍氢电池、锰氢电池、氢自主电池、氢氯电池等。他们的出发点是设计低成本、高活性的催化剂，以替代昂贵的催化剂，进一步降低电池价格，从所谓的太空动力电池转变为地球上使用的大型储能电池。

首先以新型镍氢电池为例，它不同于传统的镍氢电池，稳定性非常好，因为它的负极是氢气的氧化还原反应，在碱性条件下，加上氢催化剂的作用下发生反应，使得电池性能非常好。相比于其他电池，它有很大的优势，特别是在安全性、寿命、综合面积温度等方面，每度电成本非常低，目前的能量效率比锂电池略低，能量密度也比较低，但可以达到100Wh/kg以上。

其次，氢质子电池不仅在正极发生氢气的氧化还原，而且还有质子的迁移和释放，这样有两大特点：第一，倍率性能非常好，在比较低负荷的时候倍率就很高，在比较高负荷的时候可以达到100~200C的倍率。如果里面的导电离子由质子变成钾离子或者钠离子的话，它的倍率性能就会大大下降，这是氢质子电池的一大优势。同时它的循环寿命非常长，5万次循环之后还能保持90%左右的容量；它的低温性能非常好，只需要使用这种常规的磷酸电解液，在-80℃就可以稳定运行。

他指出，目前正在研发的系列电池体系，特别是新型镍氢电池，能量密度已经达到150Wh/kg，未来将进一步挖掘氢电池的优势，能量密度提升到200~300Wh/kg以上，未来无论是水系液流电池还是水系氢质子电池，都将发挥非常重要的作用。