崔光磊(右)指導學生實驗。青島能源所供圖

上九天攬月，下五洋捉鱉。10年來，我國在深空、深海領域不斷取得里程碑式的重大突破，研究任務朝著更復雜、更具挑戰性的方向發展，對電源系統等硬件配置提出了更高的要求。

中國科學院青島生物能源與過程研究所(以下簡稱青島能源所)固態能源系統技術中心主任、青島儲能產業技術研究院執行院長崔光磊對《中國科學報》表示：“引入分子催化劑有效地解決了亞硫酰氯一次電池所面臨的瓶頸問題，為我國深空、深海特種領域提供了一種可行的能源保障。”

通過分子催化同時調控電池充放電過程的反應路徑，崔光磊團隊成功實現了將亞硫酰氯一次電池轉化為高功率二次電池。近日，相關研究成果發表于《美國化學會志》。

敲碎傳統電解質瓶頸

自20世紀中葉開始，為滿足國防安全、航空航天、油氣生產等特定行業和強電磁、強輻射、高壓力、高低溫等特定應用工作環境的需要，特種電池應運而生。

目前，挺進深海、進軍深淵和極地是建設海洋強國的迫切需求。隨著全海深探索目標的不斷突破，我國急需單體能量密度在550瓦時每千克以上的可重復利用的寬溫域可靠電源技術。

如何突破現有技術束縛?特種電池科研人員肩負起了新使命。

2015年，崔光磊率團隊開始了對深海電池的不斷研發和探索。針對傳統電解質存在的室溫離子電導率低、電化學窗口窄、力學強度差等諸多瓶頸問題，他們借助聚酰亞胺、芳綸等“剛”性多孔骨架支撐材料，通過發揮不同材料的優勢，創新性地提出了“剛柔并濟”的聚合物電解質設計理念。這一開發思路問世后，迅速得到了聚合物電解質創始人Armand以及諾貝爾化學獎獲得者Goodenough的高度評價與贊賞。

乘勢而上，崔光磊帶領團隊構建起一系列綜合性能優異的固態聚合物電解質體系，并基于此開發了包括“青能-Ⅰ”型在內的多種高能量密度全固態鋰電池，為我國“萬泉”號在內的多種深潛器提供了安全、可靠的能源保障，產生了巨大的社會價值和經濟效益。

順勢而為，持續攻關取得研究成果后，崔光磊帶著團隊思考、復盤和總結，他們將目光投向了更具挑戰的新領域—— 一次高能電池二次化利用，實現資源綠色高質量利用。通過聚焦成熟的一次電池領域，團隊看到了無限可能，精神抖擻地發起了新一輪科研攻關。

為高能一次電池換上“二次新裝”

2018年以來，國內外同行逐步意識到高能量密度一次電池二次化的重要性，一次電池二次化對于實現綠色高質量發展、提高資源利用率、減少廢棄物生成、延長電池使用壽命以及降低使用成本具有現實意義。

崔光磊團隊同時關注到這個富有挑戰性的課題。“將具備高能量密度特點的一次電池轉化為二次電池符合目前深海裝備智能化和長時間作業的需求。”崔光磊在團隊內部技術討論會上提到，具備超高能量密度和寬溫區特點的“鋰-亞硫酰氯一次電池非常適合作為我們下一步的研究重點，如果開發成功可以改寫深海電源發展歷史。”

作為廣泛應用于深海的一次電池，鋰-亞硫酰氯電池以其3.6伏的穩定放電平臺電壓、超過700瓦時每千克的超高能量密度和可在-60℃到150℃溫度范圍穩定運行的優良適應性等特點脫穎而出。

研究方向一經確定，團隊立即成立專門的攻關小組，在無數個日夜中不斷驗證、持續攻關。

在實驗室對17安時的單體電池進行原位產氣實驗研究時,充電過程形成的大量氯氣使電池內部壓力陡升，進而造成不銹鋼外殼膨脹破裂和爆炸。

“與傳統二次電池不同，亞硫酰氯一次電池通過將溶劑分解實現放電。因此，實現二次化必須將分解產物重新轉化為亞硫酰氯。而現有充電體系主要通過以氯氣為中間體介導的轉化路徑試圖實現可逆，副反應多，可行性不高。”攻關小組成員、青島能源所博士研究生陳國棟說，“目前氯氣很難實現有效轉化，進而導致大量積累帶來安全隱患，這是目前困擾我們的一大難題。”

既然氯氣轉化問題難解決，那就解決它的生成問題。“尋找可以直接參與放電產物分解過程的添加劑，進而形成非氯氣類中間體并構建全新的亞硫酰氯轉化路徑是一種可行的解決策略。”攻關小組材料體系負責人、青島能源所研究員董杉木說，“既要確保電池長循環可逆，還要實現自身穩定存在，這種添加劑必須具備分子催化的特點。”

基于分子催化的研究思路，克服無數研究困難后，2021年上半年，團隊終于取得了突破性的進展，通過引入分子碘成功將一次電池轉化為二次電池。

另辟蹊徑的二次化

2021年下半年，國外傳來報道，美國國家科學院院士、斯坦福大學教授戴宏杰團隊在《自然》期刊上首次報道了基于亞硫酰氯電解液開發的二次電池——堿金屬-氯氣二次電池。

針對報道，攻關小組迅速組織召開技術會議，評估討論相關技術研發思路、對比小組目前開發中的技術路線，繼而確定是否推進后續研究。

“堿金屬-氯氣二次電池基于正極結構調控思路，通過將氯氣吸附在正極微孔結構中直接作為后續的氧化還原電對，從而實現二次可逆，但滋生潛在安全隱患。”董杉木發言說，“而我們的研究是通過引入分子催化劑，規避氯氣形成并構建全新的亞硫酰氯高效轉化路徑，實現二次高效可逆利用。這種方法簡單高效，更有利于技術商業化。”

隨后，攻關小組針對分子催化如何調控充放電機理的關鍵問題進行了更詳盡的探究。“對機理詳細解釋才能澄清我們是否實現了亞硫酰氯一次電池高效二次化，而非添加劑自身貢獻帶來的假象!”崔光磊說。非亞硫酰氯體系下的分子碘添加劑無法實現相似性能的相關實驗，進一步成功證實了碘基于亞硫酰氯電池的分子催化作用。

“我們還發現一個有趣現象，分子碘作為催化劑不僅改善充電實現高效可逆，還大大強化了電池的倍率性能。”董杉木說，“這充分表明了分子碘亦可參與放電。”

借助分子動力學模擬和界面譜學信號，團隊證實分子碘與亞硫酰氯在碳界面形成了具有更快動力學的加成物，刷新了分子間相互作用的認知。這是首次借助分子催化調控充放電雙過程實現電池性能的改善，成果得到了中國工程院院士陳立泉的肯定和鼓勵，將高能一次電池二次化高效利用也是陳立泉多年來的期望。

“科研永無止境。我們要開發出更高效穩定的分子催化體系，推動相關電池技術產業化，實現深海電源高水平科技自立自強，為我國深空深海安全提供更可靠的電源保障。”崔光磊表示。