新亮：潛心水系電池探索 推進新型儲能應用

　　能源是人類社會發展的動力。近年來，隨著全球“碳達峰、碳中和”發展目標的確定，基于可再生能源利用的大規模儲能和新能源汽車的普及推廣也成為發展的必然趨勢，人們對于安全、環保、高能量密度、低成本電池的需求愈加迫切，這也對科學家們探索新一代電池提出了更高的要求。在這一背景下，水系鋅離子電池因為高安全、低成本和環境友好等特性被認為是極具潛力的可持續儲能技術之一。鄭州大學物理學院教授李新亮的研究方向就與這一領域密切相關。

　　多年如一日，李新亮腳踏實地投身在科研工作中，在水系電池/鹵素電池儲能體系，以及電磁波吸收/屏蔽器件研發中取得了一系列創新性科研成果。“有幸的是，我的個人研究興趣與國家戰略發展需求相契合，為此攻堅克難，求是擔當。”他說。

　　腳踏實地，一步步走上科研道路

　　凡事都要腳踏實地去做，為之則易，不為則難。李新亮的科研之路更像是大多數普通學子的寫照。2011年他考入鄭州輕工業大學物理與電子工程專業，儲能方向的研究在當時并不算熱門。大學階段，他懷揣夢想的同時，感受到更多的是迷茫。

　　隨著對于儲能研究的深入學習，李新亮逐漸發現這一領域的科研成果是切切實實能夠落地進行應用轉化的。為了能夠更深入學習相關領域的科研知識，本科畢業后他又相繼在西北工業大學、香港城市大學攻讀碩士和博士學位。也正是在之后的階段，他遇到了對自己科研生涯有著重要影響的殷小瑋教授、支春義教授。

　　李新亮直言，自己本科畢業后經歷了一段迷茫的時期，正是在碩士生導師殷小瑋教授的指導下，將研究方向定在了抗輻射材料，一步步走上了科研的道路。在香港城市大學期間，李新亮在博士生導師支春義教授的指導下，將抗輻射材料研究與儲能課題相結合，開展安全儲能和柔性可穿戴電子相關的研究，以服務于國家在民用和重要領域的潛在需求。除此之外，攻讀碩博學位期間，兩位導師給李新亮提供了十分自由的科研環境，讓他能夠發揮自己的主觀能動性，在興趣的驅使下不斷探索前行。“一開始，我對于科研的規劃與未來的目標是模糊的，正是在他們的一步步引領下，我成長了許多，沒有他們的幫助，我想我沒什么機會走上這條科研之路。”李新亮說。

　　為了讓自己所做的科研工作盡快落地，博士畢業后，李新亮加入香港城市大學-香港大鋅能源有限公司從事安全儲能科學研究。李新亮深知：從實驗室到企業應用還有很長的路要走，特別是實驗室的研究成果到大批量產品生產這一過程中，會遇到諸多“放大型”問題與困境。而在香港大鋅能源有限公司工作的這段時間，李新亮嘗試將科研工作從問題導向到研究導向、應用導向進行了轉變，這為他今后的科研選題提供了更為全面的視角。

　　立足現狀，創新水系電池研究

　　2020年9月，中國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標。

　　在新能源成為趨勢的今天，電池已廣泛應用于新能源汽車、消費類電子設備及各式儲能電源系統中。在這一社會背景下，李新亮肩負科研人員的責任，迫切想要在相關領域中做些什么。

　　眾所周知，新能源汽車中廣泛應用的鋰離子電池，具有能量密度高、體積小、重量輕、使用壽命長等優點。然而，鋰電池要求極高的密封性，尤其是在服役期間要隔絕水氧環境，一旦電池遭遇諸如碰撞、擠壓等破壞電池封裝的突發情形時，電芯極有可能觸發一連串鏈式放熱反應，甚至起火爆炸……在這一背景下，李新亮認為開發更具安全性、更綠色、更穩定的水系電池來滿足極其注重電池安全特性的安全儲能領域的需求刻不容緩，尤其是與人體直接接觸的可穿戴電子甚至內植入型醫療設備。

　　李新亮介紹說，水系電池作為一種新興的電池技術，具有內在的安全性和快速充放電能力，能夠延長電池的使用壽命和讓電池具備應對多種嚴苛儲能/供能情景的能力，在可再生能源儲存系統、電動車輛和便攜式電子產品等領域具有廣闊的應用前景。“所以我們現在研究的主要方向就是通過研發水系電池，以填補當前鋰離子電池不適用的安全儲能市場的供應鏈空白，同時在未來的研究中，我們也考慮將復雜電磁/紅外背景下的輻射問題納入服役安全性的動態評估范圍之內。”他說。

　　在這一過程中，李新亮和研究團隊首先對水系電池進行了整體設計，以確保電池各部分組件的高度適配。其次，他們引入了溫度和電壓監控系統，以及過電流和過壓保護裝置，實時監測電池運行狀態，追蹤異常情況的發生。此外，他們還通過電極和電解質的改性，在提升電化學性能的同時減少水系電池服役過程中可能的副反應，從而提高水系電池的安全性和穩定性。

　　水系電池中的電解質載體——水是一種低成本、可再生且環境友好的溶劑，相較于傳統有機電池中的有機溶劑，水具有內在的安全性，并且成本更低，對環境的影響小。此外，水系電池還具有可再生性，水和金屬鹽是可再生資源，通過再生或回收利用可以降低資源消耗，并減少對稀有金屬的需求。然而，以水作為電解質，有一個弊端，那就是水的穩定電壓窗口較窄，而且可能與電極發生副反應，尤其是金屬負極端，導致電池服役壽命的降低。在相關研究成果的基礎上，李新亮也致力于開發新型高能量密度鹵素電池。

　　由于鹵素具有氧化還原電位高、成本低、資源豐富等優點，在電極材料中表現出極大的應用前景。在這一背景下，李新亮團隊提出了一種高效的電解液調制策略來實現鹵素在轉化型儲能體系中的可逆多價態轉變，并選取更為安全的鹵化鹽作為活性鹵素源替代傳統鹵素單質作為概念驗證，構建了前所未有的基于多電子轉化化學的高性能鹵素轉化電池。值得一提的是，他們通過一系列科研探索，成功將鹵素電池的能量密度提升到原始數值的200%以上，顯著提升了鹵素電池儲能能力。此外，李新亮團隊開發的新型氧化還原機制表現出卓越的低溫適應性，極大地拓寬了鹵素電池的應用場景。

　　放平心態，推進科研攻關

　　科學研究，久久為功。李新亮深知，水系電池性能的提升不是一蹴而就的，有時候一項性能的測試可能要一年或者幾年才會看到成效，其中必定會遇到一系列問題。“遇到問題時，首先我們一定要廣泛地閱讀文獻，吸取他人的經驗和教訓，其次一定要和自己的導師、同事相互探討，進行頭腦風暴，總是會有收獲的。”李新亮說。

　　2023年，對于李新亮來說是人生新的轉折點，這一年三十而立的他回到了自己的故鄉河南，來到了鄭州大學物理學院開展科研工作。“總是要有人回來填補‘科技洼地’的，我不過是其中的一分子。”他說。作為引進科研人才，無論是河南省還是鄭州大學及鄭州大學物理學院，在生活和科研環境方面都給了李新亮很大的支撐，幫助他消除后顧之憂。如今，半年多的時間，他在馬不停蹄組建自己科研團隊的同時，也根據自己的研究基礎，確定了未來的工作方向。“首先，我們以提升電池的性能和穩定性為目標，針對領域內前沿方向和開放科學問題制訂一些探索方案，通過大量的科研實踐，去判斷相關方案是否具有可行性。在此期間，如果能夠切實解決一些技術難題，提出一些基礎創新理論模型，推進領域向前走一小步，就再好不過了。”他說。

　　路漫漫其修遠兮，在水系電池技術開發探索中，失敗和挫折是再平常不過的事，但李新亮始終堅信付出總會有收獲。在不久的將來，他希望能夠打造一個獨具特色的以復雜安全儲能為基礎的科研團隊，將研究方向瞄準國家的重大科技需求，努力作出自己的貢獻。“隨著技術進步和經濟可行性的提高，我們可以期待在未來幾年內看到水系電池技術逐漸進入市場，為國家、為社會、為普通消費者提供更可靠、環保的安全能源解決方案。”李新亮滿懷信心地說。

　　來源：科學中國人