一、基于锂离子导体材料的二次电池

　　1、固态锂（或锂离子）电池

　　2、锂硫电池

　　3、锂（钠）空气电池

　　二、基于钠离子导体材料的二次电池

　　1、钠硫电池

　　2、钠-氯化物电池

　　3、钠离子电池

　　三、基于质子导体材料的氢能技术

　　1、高温电解水制氢技术

　　2、氢分离与提纯

　　3、高温原位加氢转化与电化学合成氨

 

　　一、基于锂离子导体材料的二次电池

　　为应对气候危机，助力“碳达峰”和“碳中和”，开发新能源技术至关重要。锂电池作为便携式电子设备、动力电池和储能领域的关键技术，在今后很长时间将占据重要地位。锂电池的安全性能、能量密度、寿命及成本等将是锂电池进一步发展需要重点关注和解决的问题。目前我国十四五发展规划和新能源汽车产业发展规划（2021-2035），美国《国家锂电蓝图2021-2030》，欧洲2030年电池计划均提出了明确的发展规划。锂金属负极由于具有理论容量高（3860mAhg^-1）、还原电位低（-3.04V vs. SHE）等优势，与高容量正极进行匹配开发新型锂电池技术受到广泛关注。主要包括固态锂（或锂离子）电池、锂硫电池（Li-S）、锂空气电池（Li-O₂）。

　　1、固态锂（或锂离子）电池

 

　　固态锂电池或固态锂离子电池以固态锂离子导体作为电解质在正负极间进行电荷传输。主要开展高镍三元正极材料结构设计及表面改性、固态电解质材料制备及电荷传输机制研究、电极/电解质界面层设计及服役过程中失效行为研究、金属锂负极3D结构设计、固态电池器件制备及工程化技术研究等内容。

　　2、锂硫电池

　　锂硫电池采用金属锂作为负极，硫作为正极，有机电解液+隔膜（或固态电解质）用于在正负极间传输锂离子。主要开展多维度硫正极材料结构设计与制备、隔膜表面修饰改性、金属锂负极结构设计及表面修饰、电解质组分优化、固态电解质设计及表界面修饰、电极结构与电荷传输动力学研究等内容。

　　3、锂（钠）空气电池

　　锂（钠）空气电池采用金属锂（钠）作为负极、含催化剂导电载体正极（空气中的氧气作为正极活性物质）。主要研究空气正极微结构设计、高活性催化剂合成与机理研究、导电网络构建及催化剂设计制备、载体孔道设计与三相界面兼容性研究、粘结剂材料设计制备、电解质添加剂组分设计及金属锂界面改性、电池结构设计及器件性能研究等工作。

　　二、基于钠离子导体材料的二次电池

　　大力发展可再生能源是实现“碳达峰”和“碳中和”的必然路径。规模化储能是可再生能源的重要组成部分，是构建“清洁高效、安全低碳”现代能源体系的关键技术支撑。钠元素和锂元素有相似的物理化学特性及储存机制，钠是地壳中储量第六丰富的元素，丰度是锂的1000倍以上，且分布广泛，价格低廉，因此，钠电池满足规模化储能需求，是很有应用前景的一种技术，近年来得到研究者和产业界的广泛关注。钠离子电池技术的研发被列入国家“十四五”发展规划。

　　1、钠硫电池

 

　　钠硫电池以金属Na为负极，单质S为正极，以β"-Al₂O₃固体电解质（BASE）管为隔膜。主要开展硫电极的微结构设计、界面优化及电荷传输机理研究；室温钠硫电池的结构设计、电极反应动力学、电极/电解质界面科学、电池性能退化机制等研究内容。

　　2、钠-氯化物电池

 

　　钠-氯化物电池，亦称作ZEBRA电池、钠盐电池等，其负极为金属Na，正极为过渡金属卤化物（如NiCl₂、FeCl₂、CuCl₂等），电解质为β"-Al₂O₃陶瓷。主要开展新型电极材料的研发，金属钠与β"-Al₂O₃陶瓷、熔盐电解质与固体颗粒界面设计，高稳定、高倍率正极结构设计，电极反应动力学提升，电池的低温化、乃至室温化设计，混合电池体系等研究。

　　3、钠离子电池

 

　　钠离子电池与锂离子电池工作原理相似，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作：充电时，Na⁺从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极；放电时则相反。围绕着能量密度较低、循环寿命较短、倍率性能欠佳等制约钠离子电池应用的关键问题，开展新型固态电解质，高稳定、高比容量电极材料，反应调控机制，安全电极设计等研究内容。

　　三、基于质子导体材料的氢能技术

　　高温质子导体，是在高温含氢或含水蒸气气氛下具有质子导电性的一类氧化物材料，自1981年Iwahara 等人首次发现某些以低氧化态金属阳离子掺杂的钙钛矿型SrCeO₃材料以来，质子导体材料领域的研究内容不断扩展，以其为核心的电化学器件被应用于氢的分离与提纯、有机物脱氢或加氢、常压合成氨和质子型高温燃料电池等众多领域，成为氢能技术领域的研究热点方向之一。

　　1、高温电解水制氢技术

 

　　通过质子导体型固体氧化物电解池（Proton conducting Solid Oxide Electrolysis Cells、P-SOECs），利用风能或太阳能的过剩电力和高温水蒸气来电解制氢，具有能量效率高（超过75%）、制氢纯度高、无需分离提纯等优势。固体氧化物电解池由空气电极、电解质和氢电极组成，高温电解水蒸气时，在空气电极发生水分解反应，在氢电极生成（如图所示）。致密的质子导体膜是P-SOECs的核心，高电导率和离子迁移数的质子导体材料，多功能层的组成和结构设计，异质结构的共烧结和界面稳定性是本方向的研究重点。

　　2、氢分离与提纯

 

　　氢分离提纯技术是氢能产业中的重要一环，以中高温质子导体为电解质膜构建的氢泵器件具有规模灵活、可提取氢和氢的化合物、无需加压、制氢纯度高等优势。高稳定性、高电导率的新型电解质材料体系是基础研究的重点，同时为了实现较大的氢处理规模并降低能耗，需要在电极微结构设计与构筑，大尺寸器件制备，器件封装、集流与组合及系统化集成等方面开展研究工作。

　　3、高温原位加氢转化与电化学合成氨

 

　　加氢催化是实现CO₂高效转化和氨合成的有效途径。将湿空气和CO₂分别通入质子导体固体氧化物电解池（P-SOEC）的空气极（阳极）和燃料极（阴极），水蒸汽在空气极被氧化，产生的质子通过电解质迁移到燃料极与CO₂反应，可以实现CO₂的原位加氢，减少了氢气储存运输成本，并且可以通过调整燃料极的催化剂种类和位置，实现CO₂加氢催化的转化率和产物选择性调控。以质子导体为核心的电化学合成氨，可利用高温制氢的优势原位催化合成，避免传统合成氨的高能耗和高排放规程。