推介單位：北京膜學(xué)會(huì)受訪專(zhuān)家：王保國(guó)采編：潛潛

王保國(guó)

清華大學(xué)長(zhǎng)聘教授、博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事膜分離和電化學(xué)工程的交叉領(lǐng)域科學(xué)研究，研究大容量蓄電儲(chǔ)能的全釩液流電池、高效率電解水制氫裝備、鋅/空氣電池材料與技術(shù);揭示電化學(xué)關(guān)鍵材料的構(gòu)效關(guān)系，發(fā)展電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能過(guò)程的材料、裝備與基礎(chǔ)理論。在國(guó)內(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文160余篇，學(xué)術(shù)報(bào)告200多次，申請(qǐng)和授權(quán)專(zhuān)利29項(xiàng);主持和承擔(dān)多項(xiàng)國(guó)家“863”“973”“重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目;現(xiàn)任北京膜學(xué)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)兼副理事長(zhǎng)、《儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)》編委會(huì)副主任、《膜科學(xué)與技術(shù)》副主編、能源行業(yè)液流電池標(biāo)委會(huì)委員等職。

自第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)召開(kāi)以來(lái)，碳中和已成為我國(guó)環(huán)保與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵性指標(biāo)。繼科技創(chuàng)新是碳達(dá)峰和碳中和的關(guān)鍵支撐。北京市科協(xié)積極推動(dòng)成立北京碳中和學(xué)會(huì)，對(duì)于運(yùn)用首都科技資源優(yōu)勢(shì)，集聚專(zhuān)家智慧，有效促進(jìn)政產(chǎn)學(xué)研金服用融合，助力北京率先實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，發(fā)揮引領(lǐng)輻射帶動(dòng)作用具有重要意義。那么如何以最優(yōu)“性?xún)r(jià)比”實(shí)現(xiàn)碳中和？這其中還有許多復(fù)雜的問(wèn)題需要被厘清和重視?？茀f(xié)頻道、《科研成果與傳播》雜志圍繞碳中和與可再生能源開(kāi)發(fā)，尤其是電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)與前景、能源技術(shù)發(fā)展的總體趨勢(shì)等，對(duì)北京膜學(xué)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)、《儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)》編委會(huì)副主任、清華大學(xué)王保國(guó)教授進(jìn)行了深入采訪。

“可再生能源開(kāi)發(fā)是碳中和發(fā)展下的必然趨勢(shì)，要解決環(huán)境、資源、能源等方面相互纏結(jié)的問(wèn)題，需要保持能源的可持續(xù)清潔發(fā)展?！蓖醣?guó)談道，像風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源，本質(zhì)上具有不連續(xù)、不穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此，必須解決可再生能源的轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)問(wèn)題。

王保國(guó)介紹，目前，我國(guó)在物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能等方面都有一定的發(fā)展，現(xiàn)在大規(guī)模使用的仍然是抽水蓄能技術(shù)。但是，“抽水儲(chǔ)能很難滿(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)頻和快速響應(yīng)需求，未來(lái)還是要依靠電化學(xué)儲(chǔ)能，也就是電池技術(shù)來(lái)解決快速調(diào)頻問(wèn)題，響應(yīng)時(shí)間需達(dá)到毫秒甚至微秒級(jí)別。”

響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、容量大、安全可靠的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)越發(fā)重要

電池儲(chǔ)能技術(shù)路線主要包括全釩液流電池、鋰（鈉）離子電池、鉛酸電池等，各自具有不同的工作原理。王保國(guó)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)多年深耕全釩液流電池，這種電池是利用電解質(zhì)水溶液儲(chǔ)能，容量由電解液中的釩離子數(shù)量決定，其最重要的特征是容量和功率可以分別獨(dú)立設(shè)計(jì)，可適用于不同場(chǎng)合的特定需求。

除適用廣泛以外，全釩液流電池的另一個(gè)重要特征就是工作機(jī)制決定的長(zhǎng)壽命?！八且粋€(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)溶液體系，在電極上只發(fā)生電子得失，通常用碳材料制造電極。只要限定電壓，避免擊穿電極，就可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。”全釩液流電池的安全性高，“即使你拿火去點(diǎn)，水做的電解液也點(diǎn)不著”，這是它和現(xiàn)有其他有機(jī)體系電池較大的區(qū)別之 一。

在釩電池中，必不可少的隔膜材料是質(zhì)子傳導(dǎo)膜。質(zhì)子傳導(dǎo)膜用來(lái)隔離正極、負(fù)極電解液，防止電解液中釩離子滲透導(dǎo)致能量損失。兩種電解質(zhì)溶液平行流過(guò)電極表面，并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而使得儲(chǔ)存在溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，利用可逆的電化學(xué)反應(yīng)，使釩電池具備儲(chǔ)存與釋放電力的能力。

“現(xiàn)在90%以上的團(tuán)隊(duì)仍在使用全氟磺酸膜，它需要耐受5價(jià)釩離子的強(qiáng)氧化性。通常情況，大家希望液流電池壽命至少要達(dá)到10～15年。在這么長(zhǎng)時(shí)間周期內(nèi)，不光電解液要穩(wěn)定，所有和電解液接觸的材料都要穩(wěn)定?！蓖醣?guó)深知全氟磺酸膜的高昂成本帶來(lái)的局限性。

2009年，他所帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次研發(fā)出納米孔徑的多孔質(zhì)子傳導(dǎo)膜，實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域內(nèi)極具前沿性的技術(shù)突破。質(zhì)子傳導(dǎo)膜可以把正極電解液中的五價(jià)釩離子，與負(fù)極電解液中二價(jià)釩離子隔開(kāi);同時(shí)，使電解液中的質(zhì)子（氫離子）通過(guò)，這樣避免充電與放電過(guò)程中，不同價(jià)態(tài)釩離子交叉放電，減少能量損失?！皬某杀旧蟻?lái)講，它有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在我們使用的膜不到300元/米2，與全氟磺酸膜相比，成本顯著降低?！倍嗫踪|(zhì)子傳導(dǎo)膜不光在實(shí)驗(yàn)室里完成了工藝開(kāi)發(fā)，而且在工廠里實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化批量制造。

王保國(guó)繼續(xù)談道，目前市場(chǎng)上發(fā)展較快的仍然是鋰離子電池，基于產(chǎn)業(yè)發(fā)展和政策推動(dòng)，鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的城市電動(dòng)車(chē)，吸引了大量人力、物力的投入，我國(guó)現(xiàn)在鋰離子電池產(chǎn)能躍居國(guó)際第一名的位置。相較于鋰離子電池，全釩液流電池更適合于中型，或中大規(guī)模儲(chǔ)能使用，它的研究開(kāi)發(fā)無(wú)論是國(guó)家還是社會(huì)層面的人、財(cái)、物還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

液流電池會(huì)一直持續(xù)發(fā)展，但短時(shí)間內(nèi)市場(chǎng)不會(huì)爆發(fā)式變化?！皬募夹g(shù)體系來(lái)講，液流電池更像一個(gè)簡(jiǎn)單的化工系統(tǒng)。和鋰電池不一樣，鋰電池更像一個(gè)電子系統(tǒng)，這是技術(shù)特征上的不一樣。”他表示，總體來(lái)講，儲(chǔ)能確實(shí)很重要，但儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展明顯落后于新能源開(kāi)發(fā)的社會(huì)需求。

基于本征安全的綠色電池與經(jīng)濟(jì)性發(fā)展

電池的本征安全是保證儲(chǔ)能系統(tǒng)安全的核心?！盀槭裁次姨貏e主張大力發(fā)展以水為電解質(zhì)溶液的水基電池呢？水是一種綠色溶劑，再者，它本身不可能被點(diǎn)著，水基的電池應(yīng)該是我們主張進(jìn)一步去發(fā)展的。”除了本征安全以外，王保國(guó)進(jìn)一步提出，還要通過(guò)技術(shù)措施，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、提前預(yù)警、快速處置、智能化與大數(shù)據(jù)等方法，把安全事故限制在盡可能小的范圍內(nèi)。

“在此基礎(chǔ)上，只講儲(chǔ)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。”王保國(guó)認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)可再生清潔能源為主的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，需要向大自然學(xué)習(xí)。正如雨水落到江河湖海，經(jīng)過(guò)陽(yáng)光照射又蒸發(fā)到大氣中，形成大千氣象。這是自然界在太陽(yáng)能的驅(qū)動(dòng)下，完成物質(zhì)與能源相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程。自然界的生態(tài)系統(tǒng)是綠色友好的，人類(lèi)建造的能源系統(tǒng)，也應(yīng)該加以效仿。

“只講儲(chǔ)能在技術(shù)經(jīng)濟(jì)性上會(huì)有很大困難?！蓖醣?guó)談道，多年以來(lái)，國(guó)家大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等可再生清潔能源，主要在資源豐富的西部地區(qū)。由于我國(guó)的工業(yè)主要集中于東部沿海區(qū)域，需要通過(guò)超高壓直流輸電，把西部可再生能源電力送達(dá)東部工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)。這種模式雖然對(duì)清潔能源發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)，但是，局限性也很明顯。只通過(guò)一種途徑進(jìn)行能源輸送，相當(dāng)于千軍萬(wàn)馬過(guò)獨(dú)木橋，再加上電力存儲(chǔ)問(wèn)題沒(méi)有解決，客觀上有一定困難?！皩?shí)際上可以換一種思路，利用電解水技術(shù)，把風(fēng)電、光伏等不穩(wěn)定電力變成氫氣，加入天然氣管網(wǎng)。利用‘加氫天然氣的辦法，既能夠?qū)崿F(xiàn)能量?jī)?chǔ)存，也可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，還能為發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)?！?/p>

能源技術(shù)發(fā)展總體上有四個(gè)方面值得重視，首先要遵循安全和物質(zhì)可持續(xù)利用的規(guī)則。能源供給的安全，特別是能源系統(tǒng)運(yùn)行本身的安全很重要。電池儲(chǔ)能畢竟要用到電化學(xué)活性物質(zhì)，需要考慮這些物質(zhì)在地球上是否能夠源源不斷得到，并能夠可持續(xù)循環(huán)利用。其次還要考慮綠色環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性?！鞍l(fā)展可再生能源就是為了環(huán)境和能源協(xié)調(diào)發(fā)展。必須考慮發(fā)展什么樣的儲(chǔ)能技術(shù)，不光在使用過(guò)程中要講綠色環(huán)保，而且，在研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、制造、報(bào)廢全生命周期，都要講綠色環(huán)保性?！?/p>

儲(chǔ)能技術(shù)一定要形成新的社會(huì)價(jià)值，給社會(huì)增加更多財(cái)富，這樣的技術(shù)才能成為良性循環(huán)。“短期內(nèi)靠國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)，有可能快速發(fā)展，但是，終歸還要靠技術(shù)和產(chǎn)品本身，在市場(chǎng)上形成新的社會(huì)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)真正可持續(xù)的產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)?！睆倪@四個(gè)方面出發(fā)，王保國(guó)相信，未來(lái)中國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)，以及氫能產(chǎn)業(yè)會(huì)發(fā)展得更快更好。

最后，對(duì)于正全力籌備的北京碳中和學(xué)會(huì)，王保國(guó)也談道，“這是一件好事。目前，行業(yè)之間的界限太明顯了，碳中和提出來(lái)之后，確實(shí)使學(xué)科交叉、行業(yè)融合出現(xiàn)了客觀需求。通過(guò)這樣一個(gè)平臺(tái)把技術(shù)、人、財(cái)、物等多方面力量聯(lián)合起來(lái)，能使碳中和、碳達(dá)峰真正落實(shí)到裝備制造產(chǎn)業(yè)，對(duì)現(xiàn)有的工業(yè)流程再造，起到積極的推動(dòng)作用?！?/p>