锂金属电池、绿色氢能入选“全球十大突破性技术”（附专家点评）

2021年2月24日，MIT Technology Review一年一度的“十大突破性技术”榜单正式发布。自2001年起，该杂志每年都会评选出当年的“十大突破性技术”，这份在全球科技领域举足轻重的榜单曾精准预测了脑机接口、量子密码、灵巧机器人、智慧传感城市、深度学习等诸多热门技术的崛起。本年度MIT Technology Review“十大突破性技术”分别为：mRNA疫苗、生成式预训练模型、数据信托、锂金属电池、数字接触追踪、超高精度定位、远程技术、多技能型人工智能、TikTok推荐算法和绿色氢能。为了让广大读者深入了解这十项技术的科学价值及其背后的科学故事，《中国科学基金》特邀请各领域著名科学家分别对其进行深入解读，以激发科研人员的创新思维，并促进科学界的学术交流。

锂金属电池（Lithium-metal batteries）

制约电动汽车产业发展的一大难题就是电池技术。目前，电动汽车普遍使用的是锂离子电池，这种电池昂贵、笨重、能量密度低，并且其所依赖的液体电解质在碰撞时极易起火。电池的一系列缺点体现在电动汽车上就是：价格高、续航低、充电慢，而且还存在安全隐患，这些正是让众多车主对电动汽车望而却步的原因。显然，要使电动汽车比汽油汽车更具竞争力，就需要一种突破性电池来弥补这些缺陷。硅谷初创公司 QuantumScape 声称已经开发出全新的锂金属电池，其采用固体电解质（陶瓷）克服了传统锂离子电池存在的这些缺陷。

专家点评：

张 强 清华大学长聘教授，长期从事能源化学与能源材料的研究，致力于将国家重大需求与基础研究相结合，面向能源存储和利用的重大需求，重点研究锂硫电池的原理和关键能源材料。提出了锂硫电池中的锂键化学、离子溶剂复合结构概念，并根据高能电池需求，研制出复合金属锂负极、碳硫复合正极等多种高性能能源材料，构筑了锂硫软包电池器件。曾获得国家杰出青年科学基金、教育部自然科学一等奖、教育部青年科学奖、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship、国际电化学会议Tian Zhaowu奖。在Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie等发表SCI收录论文200余篇，授权发明专利50余项。

当代社会生产和生活方式高度依赖于能源的利用。二次电池是一种可以实现化学能与电能高效可逆转化的器件。锂离子电池是一种典型的二次电池，具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、便携等特点，方便电能的移动存储、输运和利用，支撑现代生产生活进入“无线”模式，促进社会朝着清洁、便携不断发展。随着便携式电子设备、电动汽车、储能电站等新生事物的不断涌现，锂离子电池成为当下二次电池的“主力军”。锂离子电池获得2019年诺贝尔化学奖，是对整个行业的认可和激励。然而，锂离子电池受制于自身材料的嵌入式能源存储机制，历经30余年发展后，其能量密度逐渐接近极限值。研发具有更高能量密度的二次电池成为社会共识。

此次入选MIT Technology Review 2021“全球十大突破性技术”的基于固态电解质的锂金属电池正是突破锂离子电池能量密度上限的新体系电池。锂金属电池的能量密度可以超过400 Wh/kg，相比于现在锂离子电池提升30%以上。这意味着电子设备和电动汽车等可以具有更长的续航，缓解人们的里程焦虑。锂金属电池能量密度高的主要原因是采用转化型储能机制的锂金属为负极。锂金属具有极高的理论比容量和极低的电极电势。事实上，早在20世纪60年代就提出了锂金属电池的概念，80年代也做过商业化尝试。由于在有机电解液中，锂金属负极不均匀锂沉积引起安全隐患，金属锂电池未能在各种应用场合中广泛应用。

为了克服锂金属负极的安全隐患，此次入选突破性技术采用固态电解质来匹配正极材料和负极材料构筑锂金属电池。固态电解质可以克服液态电解液易泄露、易燃的问题。在能量密度和安全性之外，此次入选的突破性技术对电池快充性能尤为关注。快充性能的提升，将使得充电和加油一样方便，是另外一个缓解里程焦虑的方式。基于固态电解质的锂金属电池如能够兼顾能量密度、安全性和快充性能，将有望实现与锂离子电池相互补充甚至替代。

突破性技术所展示的固态锂金属电池性能是基于电芯水平。如果要应用于电子设备、电动汽车及储能设备上，仍需要考虑电芯大规模、标准化生产以及多电芯串并联组装成电池组的电池管理问题。此外，实际工况远比实验室条件复杂，如高低温、倍率切换、过充、过放、撞击挤压等条件下是否保障安全的问题。针对固态金属锂电池，需要建立一系列性能评价原则，经过充分的性能验证和安全保障继承，才能满足实际工况的要求。尽管目前固态锂金属电池展示优异的前景，但距离固态锂金属电池真正实用化仍还有许多科学和技术问题需要解决。例如，界面接触电阻大、固态电解质界面稳定性、锂枝晶内部生长、固态电解质厚度和固态电池的成本等。固态锂金属电池仍需要在不断探究和摸索中发展。

目前我国在固态锂金属电池方面的基础研究基本与国际同步，产业研究和技术工艺方面甚至领先。在国家政策和科技项目的支持下，我国在固态锂金属电池研究方面建立起了从原子、分子，到材料，再到器件的多尺度的认识，并在应用示范上取得了一些实际经验，为固态锂金属电池的研究和推广奠定了坚实的基础。同时，在项目推进的过程中，一大批有志于从事固态锂金属电池研究的青年成长起来，为固态锂金属电池及其他新型电池体系的持续推进储备了人才。

固态锂金属电池是极具前景的下一代高能量密度电池，在世界范围内获得了广泛研究和投入。固态锂金属电池的突破，对现有的锂离子电池将是有力的补充或替代，从而能够为消纳间歇性的可再生能源发电提供技术基础，有利于可再生能源的大规模推广利用，从而促进能源消费和生产转型，为实现碳中和目标提供强有力支撑。

绿色氢能（Green Hydrogen）

面对全球性的能源危机与环境污染，开发绿色、可持续、低成本的能源成为了全人类的共识。氢气一直是重要的清洁能源，但到目前为止，大多数氢气是由化石能源制备而来，这个过程是高污染和高耗能的。可喜的是，利用太阳能和风能发电的成本迅速下降，意味着可用通过耦合可再生能源利用技术与电催化分解水技术制备“绿色氢能”。“绿色氢能（Green Hydrogen）”作为未来能源发展的重要方向入选2021年MIT Technology Review的“全球十大突破性技术”，展现出广阔的发展前景，成为学界与业界共同关注的焦点。

专家点评：

巩金龙 天津大学北洋讲席教授。国家杰出青年科学基金获得者、教育部长江学者特聘教授、英国皇家化学学会Fellow。主要从事能源化工领域研究，先后主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目30余项。在Science等国际重要学术期刊发表论文300余篇；申请美国、中国发明专利100余项。曾获国家自然科学奖二等奖（第一完成人）、首届科学探索奖、第十五届中国青年科技奖—特别奖、高等教育国家级教学成果一等奖、三项省部级科技奖一等奖等奖励。

伴随着社会的进步，人类对能源的利用沿着由高碳到低碳、由低能量密度到高能量密度的路径发展。在此趋势下，氢能被认为是下一代清洁能源的代表，成为21世纪的“终极能源”[3]。这主要源于氢能的诸多优点：首先，氢能中不含碳原子，其利用过程一般不释放温室气体或有害物质，是清洁的能量载体；其次，氢能是高密度的能量载体，具有高于汽油、柴油等传统燃料的质量能量密度[4]。

当前，全球氢能需求旺盛，氢能产量约达每年70兆吨[5]。其中，绝大多数氢能来源于煤、石油、天然气等化石燃料，相关制备路线具有成本低廉、技术成熟、可大规模应用等优势，但制备过程伴随着二氧化碳等温室气体的排放，不利于实现“碳中和”目标。因此，采用该路径制备的氢能被称为“灰色氢能”。如果能够将上述氢能生产方法中所产生的二氧化碳进行补集、利用和封存（Carbon Capture and Utilization or Storage, CCUS），则能够间接达成“碳中和”的目标，从而获得“蓝色氢能”。然而，“蓝色氢能”不可再生，生产成本与“灰色氢能”相比仍然较高，制备系统成熟度较低，距大规模应用还有一定的距离。从环境与资源利用效率的角度来看，以上制氢方法均不是清洁高效的选择。因此，通过零污染、低成本、可持续的方式制取“绿色氢能”是未来能源发展的重点[6]。

制取“绿色氢能”的方法主要有生物质制氢、光催化分解水制氢、电催化分解水制氢等[7]。其中，电解水制氢技术具有悠久的历史，是相对成熟的制氢方法。近年来，新能源发电技术（如太阳能发电、风力发电、水力发电等）得到了快速地发展，促使可再生电能的成本不断下降，这使得利用可再生电能进行大规模电解水生产氢能成为可能[8]。可再生电能解水过程基本不会耗费化石能源或产生温室气体，能够满足“碳中和”系统的要求。另一方面，可再生电能解水制氢技术能够克服光电、风电等可再生电能由于昼夜、气候、区域等因素带来的间歇性、随机性、不均衡性的缺点，可有效利用难以并网的可再生电能，分布式地生产“绿色氢能”[9]。

伴随技术的发展，世界上可再生电能解水制氢示范项目的数量和电解槽容量不断增加，电解槽总容量从2010年的不足1兆瓦增加到2019年的25兆瓦以上。同时，项目规模也逐步加大，在2010年前后，多数项目的容量均低于0.5兆瓦，而在2017—2019年间，项目规模可达6兆瓦[10]。可再生电能解水制氢技术在近年来更是得到了长足的发展。2020年3月，日本福岛的FH2R项目正式投入运行，该项目将20兆瓦的太阳能发电站与10兆瓦的电解水装置耦合，每小时可生产1 200标方氢气[11]。加拿大法液空公司也正在建造容量高达20兆瓦的“绿色氢能”工厂。除此之外，多国也宣布将在十年内建成数百兆瓦的可再生电能解水制氢项目[12]。

我国一直致力于推动传统能源向低碳清洁能源的转型，在太阳能发电与风能发电领域的年增长量与装机量均已跃升至世界第一，在新能源领域具有丰富的研发与产业基础。习总书记庄严承诺我国将在2060年前实现“碳中和”，国家相关部委也相继出台氢能相关政策及发展纲要，大力推动氢能产业的发展，促进了“绿色氢能”项目的落地。2019年7月，山西省榆社县政府与合肥阳光新能源科技有限公司共同计划建设300兆瓦的光伏发电站与50兆瓦的制氢综合示范项目[13]。2020年4月，宁夏宝丰能源集团的太阳能电解制氢储能及综合应用示范项目开工建设，预计建成后合计年产氢气1.6亿标方，每年可减少煤炭资源消耗25.4万吨，减少二氧化碳排放约44.5万吨[14]。我国在“绿色氢能”应用领域也走在世界的前沿。基于李灿院士团队技术的“液态太阳燃料合成示范项目”采用总功率为10兆瓦的光伏发电站配套电解水制氢工艺，所生产的“绿色氢能”用于二氧化碳加氢合成甲醇，实现了“液态太阳燃料”的生产[15]。

“绿色氢能”技术为解决能源与环境问题勾画出了美好蓝图，但其未来发展仍面临诸多挑战。学界与业界可以从“绿色氢能”的制取、储运、使用以及配套基础建设等方面出发，为实现“绿色氢能”技术的大规模应用打下理论与应用基础。首先，应开发高性能制氢系统，降低制氢成本。以可再生电能解水制氢系统为例，可以基于对催化活性中心作用机制与调控规律的认识，在进一步提升催化剂性能的同时，降低催化剂中贵金属用量或其价格，使得“绿色氢能”的成本更具有竞争力。与此同时，可以通过强化可再生能源转化系统与产氢系统之间的耦合与匹配，达到提高能源综合利用效率的目的。其次，应研发高效储氢新材料和储氢新技术。一方面，从理论的角度进一步明确化学储氢机理，并以此为基础设计高效储氢材料；另一方面，提升液化储氢技术，以终端使用为导向开发物理储氢新技术。再次，应继续发展以燃料电池技术为代表的氢能使用方法。以较为成熟的质子交换膜燃料电池为例，应基于对应用场景（如交通运输、固定式发电等）特定需求的理解，优化电池结构和催化剂设计，以满足对功率密度和耐久度的要求。最后，应在基础设施建设方面为未来“绿色氢能”的利用提供支持。如提前布局分布式加氢站的建设；调研氢能管道输送的可行性方案和安全性方案等。

尽管“绿色氢能”的全面应用还面临着巨大挑战，我们仍然相信在相关科研工作者、企业和政府的共同努力下，“绿色氢能”的高效利用系统将在不久的将来得以建立和完善，“绿色氢能”将作为常规能源，融入人类的生产和生活中，为构建绿色、清洁的未来社会提供重要支撑。