2017年12月8日，加拿大工程院院士、理士國(guó)際首席科學(xué)家張久俊在深圳Solar plus國(guó)際高峰論壇暨第12屆新能源科技年會(huì)上做了《太陽(yáng)能電存儲(chǔ)及其相關(guān)的電化學(xué)能源技術(shù)》的主題分享。以下是會(huì)議實(shí)錄：

2016年太陽(yáng)能領(lǐng)域投資達(dá)4420億

目前，新能源的發(fā)展具有兩大驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，第一，人類的發(fā)展以及可持續(xù)性必須有能源，并且必須是新能源、清潔能源。第二，人類要可持續(xù)發(fā)展，必須有清潔的環(huán)境。太陽(yáng)能取之不盡、用之不竭，作為新能源具有天然和無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。

為什么要發(fā)展新能源?實(shí)際上這個(gè)背后有兩大驅(qū)動(dòng)力，第一個(gè)驅(qū)動(dòng)力是人類的發(fā)展以及可持續(xù)性必須有能源，并且還是新能源、清潔能源。第二，人類要可持續(xù)發(fā)展，必須有一個(gè)清潔的環(huán)境，現(xiàn)在很多城市的空氣污染這么嚴(yán)重，這是不行的，我們的水質(zhì)也被污染得很嚴(yán)重，這是不可持續(xù)發(fā)展的。所以有兩大驅(qū)動(dòng)力，使得目前地球上的人類要發(fā)展新能源。

能源到底有哪些呢?這里列出了兩大類能源，第一類是Renewable Energy，也就是清潔能源或者是可持續(xù)能源，包括水力發(fā)電、太陽(yáng)能、生物能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?。第二類是Fossil Energy，這是不可再生能源，用一點(diǎn)就少一點(diǎn)，包括天然氣、石油、核能。

假如我們發(fā)展新能源，首先是太陽(yáng)能，我們來(lái)看太陽(yáng)能是什么樣的情況，這里列出的是在世界上不同范圍、不同區(qū)域從2011年到2040年太陽(yáng)能產(chǎn)生電能的預(yù)測(cè)。我們可以看到到2040年，地球上的太陽(yáng)能發(fā)出的電，每年有1萬(wàn)億度電，相當(dāng)于三峽電站發(fā)電量的10—12倍。

目前整體太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的效率還有待提高，我們目前用的太陽(yáng)能板大概是18%-23%的轉(zhuǎn)化效率，當(dāng)然有的實(shí)驗(yàn)室能做到更高。

2016年全球研發(fā)可再生能源技術(shù)的投資規(guī)模非常大，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物能。在太陽(yáng)能領(lǐng)域的投資達(dá)到4420億元人民幣，這是非常大的一個(gè)數(shù)。中國(guó)的太陽(yáng)能目前占全世界太陽(yáng)能的40%。

我們?cè)倏纯葱履茉茨壳暗降渍嫉轿覀兛傮w使用能源的多少，這里我列出了幾種，這里我們可以看到目前燒的能源26%是天然氣，36%是石油，8%是核能，其中太陽(yáng)能占20%，可持續(xù)能源只占9%。是很小的一部分。目前我們的太陽(yáng)能只占整體能源里面的2%，所以這是很小的一部分。

我們知道太陽(yáng)能是可持續(xù)能源，為什么發(fā)展還這么慢?我們可以看到這里有幾個(gè)大的挑戰(zhàn)，第一個(gè)挑戰(zhàn)，太陽(yáng)能或者風(fēng)能是不穩(wěn)定的，比如說(shuō)在有太陽(yáng)的時(shí)候它可以發(fā)電，沒(méi)太陽(yáng)的時(shí)候就發(fā)得很少，光強(qiáng)不一樣，它發(fā)的電不是很平滑的，不像傳統(tǒng)能源的發(fā)電，產(chǎn)生的電都是一樣的，太陽(yáng)能發(fā)電隨著時(shí)間變化，就像一個(gè)噪音一樣，假如你不把它弄平滑，它就是一個(gè)廢電。這是一點(diǎn)，它不穩(wěn)定，可靠性不足。第二個(gè)挑戰(zhàn)是電的分配、運(yùn)輸也很困難。第三個(gè)挑戰(zhàn)，由于前面的兩個(gè)問(wèn)題，這個(gè)電往大電網(wǎng)配的時(shí)候，如果不平滑，他不讓你往里面放。第四個(gè)挑戰(zhàn)，太陽(yáng)能電站的投資很大，投資回報(bào)率比較低，投資回報(bào)的時(shí)間比較長(zhǎng)。

為了克服這四點(diǎn)，我們就必須發(fā)展一個(gè)儲(chǔ)能的技術(shù)，把太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)的瞬間的能源變成一種能源儲(chǔ)存起來(lái)，在用的時(shí)候再放出去。只有這樣才能有一個(gè)平滑的電能往里面輸。所以必須要發(fā)展儲(chǔ)能，儲(chǔ)能是目前太陽(yáng)能領(lǐng)域或者風(fēng)能領(lǐng)域必須要發(fā)展的。

選擇哪一種儲(chǔ)能方式？

目前有哪些儲(chǔ)能技術(shù)呢?這里列了幾種，第一種是電化學(xué)儲(chǔ)能，手機(jī)里的鋰離子電池就是這種儲(chǔ)能方式。鉛酸電池、鋰電池，這都叫電化學(xué)技術(shù)，把太陽(yáng)能發(fā)電打進(jìn)電池儲(chǔ)備起來(lái)，需要電的時(shí)候再放出去，這樣放出去就是很平穩(wěn)的。第二種是fly wheels，這個(gè)就不多講了，第三是壓縮空氣，把空氣壓到地底下很深的地方，用的時(shí)候把它放出來(lái)，用機(jī)械能發(fā)電，當(dāng)然這個(gè)效率很低。第四是水電站里面不需要電的時(shí)候，還要放水，把這個(gè)水通過(guò)發(fā)的電抽到一個(gè)子水庫(kù)里面，再需要電的時(shí)候再發(fā)電。在這些方式里面，電化學(xué)儲(chǔ)能是最可靠的方式，并且是最有效的方式。

我們看看電化學(xué)儲(chǔ)能有哪些方式，我列出了大概10種，實(shí)際上不限于這10種，包括有鋰電池、鉛酸電池、燃料電池、電解水等等，這些都屬于電化學(xué)儲(chǔ)能的電池。在大電網(wǎng)里面，未來(lái)的智能電網(wǎng)方面，電池要變成一個(gè)最核心的單位?，F(xiàn)在在發(fā)展微電網(wǎng)，這里面的電化學(xué)元件就更加重要了。

這是我在過(guò)去10年和我的博士后、老師、朋友、同事在一塊出的書(shū)，這些書(shū)里面都把所有的電化學(xué)能源包括進(jìn)去了，每一本書(shū)都涵蓋一種技術(shù)，大家如果感興趣的話，可以上網(wǎng)看一下，大概有20多本書(shū)。

我下面就詳細(xì)地給大家討論一下各種電池的優(yōu)越性，以及它存在的問(wèn)題。第一個(gè)是目前發(fā)展前沿的，但是還沒(méi)有商品化的，就是液鋰電池，它把電能儲(chǔ)存在電解質(zhì)里面，它可以任意擴(kuò)大它的電解質(zhì)，電化學(xué)的活性物質(zhì)在電解質(zhì)里面，不是在電池里面，所以它就有這樣的優(yōu)勢(shì)。它目前的發(fā)展也是非?？欤谶@方面的研究方向主要是發(fā)展新的材料，包括電解質(zhì)材料、電極材料、膜材料，增加它的能量密度，增加它的壽命，然后把這個(gè)系統(tǒng)要進(jìn)行優(yōu)化，降低材料的價(jià)格，這是液鋰電池。

第二個(gè)是鋰離子電池?，F(xiàn)在很多汽車不能用的鋰離子電池，至少還有百分之七八十用于儲(chǔ)能。鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)就是能量密度和功用密度都很高，它的壽命對(duì)于儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)也相當(dāng)不錯(cuò)，但是它也有它的問(wèn)題，如果在汽車?yán)锩嬗?，它的壽命顯得不夠長(zhǎng)，另外一個(gè)就是它的安全問(wèn)題，目前我們用的是液體的鋰離子電池，所以這里邊用的是液體電解質(zhì)，我們?cè)谧龅臅r(shí)候，尤其在大電流放電的時(shí)候可能產(chǎn)生高熱，假如這個(gè)熱散不出去，它就會(huì)燒掉或者是爆炸。尤其是我們現(xiàn)在要發(fā)展三元體系，三元體系的活性很高，任何東西活性太高，它的穩(wěn)定性就差。目前它的應(yīng)用最多的就是在新能源汽車上，當(dāng)然在儲(chǔ)能上現(xiàn)在也有很多在用。主要的研究方向，現(xiàn)在鋰離子電池的能量密度已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)瓶頸，怎么樣增加它的能量密度，怎么樣增加它的壽命，還需要進(jìn)一步發(fā)展新材料，以及對(duì)電極層的優(yōu)化，這是鋰離子電池。

這是我們做的一些鋰離子電池方面的工作，合成了一些納米材料，作為鋰離子電池的陰極材料。

第三種是鉛酸電池，這個(gè)電池是理士國(guó)際目前主要的業(yè)務(wù)，鉛酸電池目前看來(lái)是最可靠的，最能商品化的儲(chǔ)能，大規(guī)模、中規(guī)模、小規(guī)模都比較可靠，這個(gè)鉛酸電池有幾個(gè)好處，第一是便宜，我們現(xiàn)在發(fā)展任何電池都沒(méi)有鉛酸電池便宜，第二是安全性，它比鋰離子電池安全多了，你沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)那個(gè)鉛酸電池著火或者爆炸的情況，鋰離子電池往地上摔了之后，說(shuō)不定會(huì)爆炸，但是鉛酸電池怎么摔都不會(huì)爆炸，所以它很安全。第三是鉛酸電池總體的材料可以完全回收，電池?fù)p耗以后，我可以把里面的材料全部拿回來(lái)再利用，這個(gè)優(yōu)勢(shì)是其它電池做不到的。

所以鉛酸電池是目前在儲(chǔ)能里面，尤其在新能源儲(chǔ)存里面最成功、最可靠的方式。我們?cè)诎l(fā)展新能源儲(chǔ)能的時(shí)候要發(fā)展鉛酸電池，鉛酸電池怎么發(fā)展呢?目前有幾個(gè)方面，它的能量密度還不夠高，所以第一個(gè)是要于是電極組份，活性組份優(yōu)化，添加一些碳等等，第二是要讓它輕量化，減少鉛的用量，把鉛網(wǎng)變成碳網(wǎng)。第三是去掉一個(gè)電極，有這樣三個(gè)鉛酸電池的研究方向。鉛酸電池假如能夠達(dá)到能量密度在80左右，我們就可以取代很多的電池。

另外一個(gè)是超級(jí)電容器，這也是一種儲(chǔ)能方式，我們都聽(tīng)說(shuō)過(guò)超級(jí)電容器，它的最大優(yōu)點(diǎn)就是充放電時(shí)間特別快，在秒級(jí)就可以放完，它的功率密度非常高，但了能量密度很低，所以超級(jí)電容器也要發(fā)展，一個(gè)是利用它的壽命差，第二個(gè)是它的工業(yè)密度高，可以用來(lái)提高它的能量密度。

另外一個(gè)方向是電解水，用太陽(yáng)能發(fā)出的電，把水分解變成氫氣，氫氣本身就是一個(gè)能源的攜帶者，我們?cè)谟玫臅r(shí)候把氫氣通過(guò)燃料電池轉(zhuǎn)變成電，這樣就達(dá)到一個(gè)儲(chǔ)能的目標(biāo)。但是目前它的能量效率相對(duì)比較低，技術(shù)還是相對(duì)比較成熟的，所以這個(gè)目前也是一個(gè)發(fā)展儲(chǔ)能的熱點(diǎn)。

另外我再說(shuō)說(shuō)二氧化碳和電化學(xué)還原，現(xiàn)在我們二氧化碳排了很多，能不能把二氧化碳通過(guò)電化學(xué)的方法，通上電，轉(zhuǎn)變成有用的小分子，轉(zhuǎn)變成甲酸、甲醇等等，這樣來(lái)達(dá)到一個(gè)儲(chǔ)能的效果，并且又達(dá)到一個(gè)減少二氧化碳排放的目的。加拿大目前也在做很多這方面的工作，目前面臨的挑戰(zhàn)就是催化劑的壽命很短，現(xiàn)在這方面也是我們研究的熱點(diǎn)，也是中國(guó)科技部目前資助的研究。這方面是有長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略前景的方法。

儲(chǔ)能市場(chǎng)到底有多大？

目前儲(chǔ)能到底有多大的市場(chǎng)規(guī)模？我們這里列出了幾個(gè)，一個(gè)是液鋰電池，然后是鋰離子電池，還有鉛酸電池和超級(jí)電容器，我們可以看到到2025年，整體的市場(chǎng)的情況，液鋰電池大概會(huì)達(dá)到38億美金鋰離子電池可以達(dá)到260億美金的市場(chǎng)，鉛酸電池的市場(chǎng)還是最大的，可以達(dá)到將近400億美金的市場(chǎng)，超級(jí)電容器相對(duì)要小一些，但是和液鋰電池差不多。

所以我們用太陽(yáng)能儲(chǔ)能這樣一個(gè)市場(chǎng)是潛力巨大的，所以我們不光要發(fā)展太陽(yáng)能，還要發(fā)展儲(chǔ)能，要把儲(chǔ)能發(fā)展起來(lái)。