白承载

韩国海洋科学技术院 海洋ICT·Mobility研究部

baeksj@kiost.ac.kr

                                                              

 

    想必大家小时候都看过《海底两万里》，这部小说讲述了阿龙纳斯教授和尼德乘坐尼摩船长的鹦鹉螺号周游海底的故事。一百多年前，作家儒勒·凡尔纳以潜水艇为素材创作的小说，其想象力令人惊叹，更令人叹服的是手段的具体性。当阿龙纳斯教授对潜水艇动力源感到好奇时，尼摩船长回答："这是从海水中获取电力并使用的。" 一百多年前出版的科幻小说详细记载了关于提取海水中的氯化钠（NaCl）并发电的说明。

 

    我们真的可以利用海水中的钠离子储存电能吗？海水事实上是无限资源，利用海水中的（实际上是无限）资源钠离子进行充放电的电池真的存在吗？若是如此，是不是可以制备更便宜、更安全、更有效率的电池呢? 带着这些疑问，我们开始了作为二次电池的海水电池研究。

 

    众所周知，电池有正极（+）和负极（-）。从手表的纽扣电池到干电池、手机、充电宝、笔记本电脑，或是车辆、大型ESS（Energy Storage System）配套的电池，到目前为止，无一例外。而海水电池用海水代替正极，也就是说，从概念上看，海水电池是只有负极的电池。

 

图1. 现有电池与海水电池概念比较

 

    海水电池是通过溶解在海水中的钠离子和水的化学反应进行充放电的二次电池，是用海水代替正极的环保、低成本、安全的电池系统。与现有电池不同，由于没有正极部分，因此可以以相同的大小和重量，提供两倍的能量，或者可以以一半的大小和重量，储存相同的能量，而且不会因冲击和高温而发生爆炸。由于海水里有无限的钠离子，因此不会因反复充放电而导致电池衰减，与锂离子等目前广泛使用的电池不同，由于不使用韩国完全依赖进口的稀有金属--锂，因此可以确保技术独立性，价格也会随之降低。

 

图2. 海水电池的充电/放电过程

 

    此外，海水电池还提供多种附加功能。由于利用海水中的NaCl进行充电，因此充电后海水变成淡水。放电过程中产生的氢氧化钠（NaOH）与海水中的二氧化碳（CO2）进行反应，因此可以捕获CO2。此外，还可以利用充放电过程中产生的少量次氯酸（HOCl）对海水进行杀菌。可以说海水电池是“一石数鸟“的多功能型电池。

 

    与怕水的现有电池不同，海水电池是与海水进行反应，从而使用电能的电池。因此，可以用作救生衣的信号发生装置等小型海洋设备、AUV（Autonomous Unmanned Vehicle）或水中滑翔机等海洋无人移动体、海洋风能园区ESS等海洋环境配套的安全电池。此外，可以利用海水电池的附加功能，在海水淡化设施或海洋CCS（Carbon Capture System）等领域广泛应用。

 

图3. 海水电池应用前景广阔

 

    基于上述原因，韩国海洋科学技术院正在积极开展海水电池研究。2017年，开发出堆叠100个海水电池单体的300Wh级海水电池系统，并开发出可减少附着生物并提高电池集成度的外壳、结合海水电池单体控制特性的专用BMS（Battery Management System）、去除电池表面泥浆（mud）的装置、控制附着生物的电击装置等，从而构成整套系统。

 

图4. 300Wh级海水电池系统（2017）

 

    2018年，在改善单体本身的容量和功率的同时，韩国海洋科学技术院还开发出更符合实际应用场景的模块化设计的1KWh级海水电池系统。此外，还开发出在海水中灵活连接的水下连接器、BMS等电气装置一体型水密外壳、控制附着生物的超声波装置等，并进行了电气船舶等控制环境所需的实验。

 

图5. 1KWh级海水电池系统（2018）

 

    2019年，研究团队持续进行性能改进，开发出5KWh级海水电池系统，对此前通过现场实证发现的问题加以改进，并开发出用于控制附着生物的UV-C装置，进行了长时间野外测试和低温驱动实验。在上述工作基础上，还获得了官方检测报告。

 

图6. 5KWh级海水电池系统（2019）

 

    海水电池具有使用过程中经常暴露在海水中的特点，因此，找到有效控制附着生物的方法并通过长时间实际海域实验进行验证，是不可或缺的重要环节。位于巨济市长木面的韩国海洋科学技术院南海研究所，利用三年时间，在生物附着活跃期（4月~11月）对基于上述电击、超声波、UV-C方法的海水电池系统的附着生物控制性能进行验证，由此得出上述方法可以有效控制海水电池系统附着生物的结论。

 

图7. 附着生物控制技术验证（左：未采用，右：采用）

 

    能够长时间在实际海域使用的海水电池系统开发工作取得了重要进展，下一步是将海水电池实际应用到海洋设备，获得业绩记录（track-record）。2020年，韩国海洋科学技术院与多家海水电池潜在需求单位进行合作，开发出采用海水电池的环保型休闲艇、小型船舶用辅助供电装置、海洋环境监测用多功能浮标、航标灯浮标、200L级海水杀菌中和系统。2021年，还开发出采用海水电池的5L级储能及杀菌中和系统、海洋遇险人员安全管理系统、水上乐园腕带、观测及探测用无人水面艇。

 

图8. 采用海水电池的海洋设备（左：2020年，右：2021年）

 

    海水电池是能够在海洋环境中使用的稳定的二次电池，韩国研究团队在全世界率先进行该项尖端技术的研发。作为能够克服现有二次电池短板（热稳定性、价格竞争力）的新一代核心原创技术，可以代替适用于海洋环境的锂离子或铅蓄电池，有望借此开启海洋机器领域新蓝海，如果能掌握低廉的材料和大容量电池量产技术，从长远来看，有利于储能产业与大容量ESS产业做大做强，并创造更多的就业岗位。

 

    希望海洋电池取之于海洋，用之于海洋，并由此给海洋注入新的活力。