本来想整理一下这次去上海参加第一届水系电池国际研讨会的工作总结的，对比分析一下各类水系电池的特点，然后加深自己对目前研究方向的把控能力，突然发现不太想写了，还不如写自己对研究方向的认识，然后在这个过程中把这些内容更好地分析清楚。

这次能够看到有相关领域老师组织水系电池论坛，让我还是挺兴奋和欣喜的，应该说从2016年初左右我开始打算介入水系钠离子电池方向的研究，尽管中间的研究过程断断续续，到现在也差不多已经8年了，水系电池这个领域在电池大方向里面来说一直是个很小众的研究方向，特别是水系金属离子电池方向，之前相比锂离子电池、燃料电池等大方向，水系电池并没有被单独认可为一个研究方向，当然这也与目前越来越强调电池领域的“安全”问题紧密相关。一是目前随着新能源汽车在国内市场的大普及，带来了动力电池特别是有机锂离子电池方向的大步发展，锂电池相关方向的开创科学家也被授予了诺贝尔化学奖，不过动力用锂电池也在材料路线上发生过较大转变，初期为了增加车用电池的里程，更主要地选用能量密度高的三元正极体系的电池，同时另一个能量密度相对低的磷酸铁锂正极体系的电池则不受重视，这在当时也可以看到对以磷酸铁锂体系为主要发展路线的相关企业带来了较大的生存和发展危机；之后，随着磷酸铁锂电池成本的不断降低，同时市场越来越强调电池寿命和安全性，这时成本相对合适同时寿命和安全性均更好地磷酸铁锂电池越来越受到重视，尽管其能量密度仍然稍低（约150-180 Wh/kg），因此目前较新的市场数据也显示 磷酸铁锂电池已占比约60%，同时三元锂电池则占比相对还要更少，只有40%了，目前也是以上述两类电池为主的相关企业的发展均蒸蒸日上。

另外，随着国家对可再生清洁能源的利用的越来越重视，同时清洁能源的利用过程中会产生电能，为了能把这些不连续产生的电能储存起来，又催生出了“大规模储能”行业，除去传统的抽水蓄能外，其占地面积大、投资规模大、不可移动，又出现了发展“新型储能”的需求，实质还是通过电池装置来实现电化学能源的储存和转换，最终还是要发展“电池”领域。那么什么样的电池能满足大规模储能的需求呢? 其实市面上的选择并不多，除了传统的水系铅酸电池（Pb污染、寿命短<500次）、水系镍氢电池（镍成本可能高、自放电快、能量密度和寿命不如锂电池、倍率放电差等）外，可以选择的相对成熟的也就是有机锂电池了，特别随着这几年新能源汽车的大普及，锂电池作为车用动力电池的选择也备受瞩目，发展迅猛，同时随着生产规模的不断增大，目前锂电池的成本已降至约3毛钱/Wh，这个电池成本价格对其它电池体系的发展的打击是非常大的。当然，也很容易想象，目前储能领域发展的初期，市场新增的储能电池系统主要90%以上都是锂电池体系，其它电池如液流电池、铅酸电池等占些零头，这其实是一个很有意思的场景，可以看到锂电池几乎占据了从小型3C、车用动力电池到大规模储能领域的所有电池需求。但是，我们不能忽视的一个事实时，上述场景对电池的性能需求可能是有差异的，特别是大规模储能领域对电池安全的需求是极高的，而商用锂电池作为有机体系，天然地没法做到本征安全，特别随着新能源车、锂电储能电站的偶有爆炸事故的发生，也一直在影响人们对应用锂电池的安全考量，同时从消防安全角度来说，目前锂电池造成的燃烧着火和爆炸事故可能还相对较难得到及时准确处置，这也增加了对事故可能损失的预估，因此目前可以看到有些商用的地下停车场已在从行动上明确不建议新能源锂电池用车进入和停放，主要可能还是考虑到后续的消防安全预估，此外国家相关部门也明确禁止了能量密度虽高、但是安全性和循环寿命可能相对差的三元锂电池在储能系统中的应用，目前储能系统中大量使用的其实是安全性更好的磷酸铁锂电池。

另外，从2023年上半年开始，我博士期间主要参与研究的水系全钒液流电池的发展也逐渐迅猛，获得了很多投资项目的投入，建立相对较多的全钒液流电池储能系统，当然整体来说还是占比较小，钒电池能够得到快速重视和发展的最为主要原因还是它的水系本征安全和长循环寿命（>20000次）。不过，正是由于从2015至2022之间钒电池的发展未受到重视，投资相关项目的很少，同时钒的成本居高不下，也导致相关钒电池团队的发展比较艰难，项目经费较为紧张，最终可能也会影响团队的快速发展，但是最近钒电池领域的发展好起来了，也可以给相关团队带来更多更好的发展机会，因此有很多时候一个小领域、一个团队乃至个人的发展确实是曲折的，机会也是看时运的，让人不免心生感慨。当然，有一点不容忽视的是，目前钒电池作为一种新型储能技术之所以能受到重视，是因为它在电网领域找到了细分场景即超过4h的长时储能场景，这是电网稳定所必须要的，而商用锂电池更适合不超过4h的短时储能场景，因此钒电池与锂电池的赛道得到了分开，目前该长时储能场景应该主要只有钒电池系统能够达到这一需求的要求，也可能有些金属-气体电池也可以做到这一点，但目前还不确定。

此外，其它水系电池如水系碱金属离子电池、水系铅酸、水系镍氢电池具有本征安全，但是寿命远不及有机锂电池，另一方面由于水系电池的电化学电压窗口窄，理论上只有1.23V,考虑到动力学因素可能在1.5-1.8V左右，其电池本征电压较低，远不如有机体系电池，也导致水系电池的本征能量密度较低，因此上述电池只适合用于小规模的短时储能领域，不过循环寿命也需要1C下至少循环1000次，最终可能适合用于低速二轮车、UPS电源、车用启停电源还有海洋船舶动力电源、户用及工商业储能等极为强调安全的场景，目前上述有些应用场景几乎90%以上都被水系铅酸电池占据，在目前强调环保和可提升电池寿命的前提下可以有水系金属离子电池如水系钠离子电池、水系锌离子电池等的一席发展之地。水系锌离子电池目前在基础研究和产业化应用研究领域都有较多团队在开展工作，此次会议就至少看到有国内超过5个研究团队在进行该电池的产业化探索，也由此可见水系锌电池确实还是有它较多的优势的，比如Zn资源丰富、理论容量高、Zn负极析氢过电位高、可研究的材料体系较多、水系安全等，当然通过参观相关水系电池研究中心也了解到，目前水系锌离子电池在高倍率下的循环次数超过10000次，能量密度能达到60~80 Wh/kg，同时目前正极选用的是镍氢氧化物体系，与镍氢电池的正极相似，而不是前沿研究较多的锰氧化物体系，因该体系相变较为复杂且充放电过程中易生成不导电的相，这不利于电极的导电性，同时负极锌一侧有腐蚀、析氢、枝晶生成等副反应，也易影响电池容量和寿命，另外其电极表面还需要提升活性物质负载量（使用网状金属集流体）、高压实密度等，因此该体系还需要较多的产业化摸索。此外，从此次会议报告，我也了解到一些新观点，如水系碱金属离子电池由于不同于水系锌电池Zn负极的沉积/溶解机制，而是离子脱嵌机制，会更有利于电极的长期循环寿命。此外，还通过报告了解到：目前基于酸、碱性水系电解液的传统水系电池由于其氧化还原反应的储能机理，难以实现长期稳定运行；而近中性水系碱金属离子电池可实现摇椅式离子嵌脱，无酸碱腐蚀，循环寿命会更长。由于我所在团队也一直也在致力于发展水系钠离子电池，上述报告也对我继续从事该研究方向带来了一些激励和鼓舞，目前相关产业化数据也表明该电池能量密度可达50-80Wh/kg，高倍率下循环次数可超过8000次，能满足一些相关领域的应用。不过，目前水系钠离子电池负极体系较少，正极也容量相对不高，亟需引入更多新的材料体系，目前我所在团队针对该电池材料体系也仍在继续探索，以期最终能够获得低成本、能量密度适当（应不低于铅酸电池的30-50Wh/kg）、长寿命（1C下高于500 cycles，接近1000 cycles就够用）的安全水系电池，进而可用于低速二轮车、UPS电源、车用启停电源还有海洋船舶动力电源、户用及工商业储能等极为强调安全的场景。