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鋰電池的江山因為這些儲能技術要坐不穩了?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年10月19日  

如果鋰電池能擬人的話,它一定在想:“朕的江山……不穩了……”。


可不是么,隔三差五就會有各種實驗室稱自己研發出了新的電池技術,一個比一個成本低、有的更加環保、有的更安全、有的壽命更長……鋰電池的時代將要落幕了?


今天,我們看看哪些電池技術正在一步步替代鋰電池成為主流。


原材料無處不在的鈉離子電池


鋰電池什么都好,就是太貴了。


鋰電池的電極材料鋰(Li)比較稀有,開采和精煉成本很高。那么有沒有可能,在常見的材料里可以找出替代鋰元素的電極材料呢?


鹽(NaCl),聽起來不錯。畢竟地球擁有廣闊的海洋和鹽湖等鈉鹽來源,如果可以提取鈉作為電極材料,成本將大幅度下降。


鈉離子電池的概念起步于上個世紀80年代,與鋰離子電池幾乎同時起步,鈉離子電池的工作原理與鋰離子相似,充電時,Na+從正極材料中脫出,經過電解液嵌入負極材料,同時電子通過外電路轉移到負極,保持電荷平衡;放電時則相反。


一直以來,人們認為鈉離子電池雖然有成本的優勢,但能量密度不及鋰電池,只能在對于能量密度要求不高的領域,比如電網儲能、調峰,風力發電儲能等方面應用,然而,近日斯坦福大學的研究人員們研制的鈉離子電池突破了這一認知。


他們研制的鈉離子電池,能夠以80%不到的成本,存儲與鋰離子電池相當的能量!


這款電池采用了鈉鹽電極的設計,充上正電荷的鈉離子會游向充負電荷的磷正極——這兩種元素在自然界中的儲量都很豐富。最終,他們的鈉離子電池實現了高達484mAh/g的可逆容量、以及726Wh/kg的能量密度。新電池的能源效率據稱超過了87%,至于最重要的成本方面,研究人員聲稱可以80%不到的投入,實現與鋰離子電池相當的儲電量。


下一步,團隊將在磷陽極上投入更多精力,以便壓榨出鈉離子電池的更多性能。與鋰離子相比,團隊也希望進一步提升鈉離子電池的體積能量密度。這項研究的詳情,已經發表在近日出版的《自然能源》(NatureEnergy)期刊上。


實際上已經有不少企業在發力鈉離子電池,比如豐田。


新聞報道稱,豐田新電池使用了鈉基化合物作為正極的鈉離子電池,電池產生的電壓高出鋰離子電池30%。這項電池技術可有效提升電動車的續航里程,最大可達到驚人的1000公里,而且價位更低。據悉,豐田正加快推進研究,預計2020年前后可投入實際應用。該電池一旦商業化,價格會比傳統鋰電池更低。


成本只有鋰離子電池1/5的液流電池


有這么一款電池,放電的時候,會吸入來自外界的空氣,而在充電的時候,它又可以排出空氣,很像人類的呼吸。


根據cnBeta.COM的報道,麻省理工學院的研究人員們,已經開發出了一款可以“呼吸空氣”、長期貯存能量的液流電池,且在同等能量密度下,其造價只有鋰離子電池的1/5。


液體可以做電池嗎?來看一下原理:這款可充電液流電池的特點,是采用了液體的“陰極電解液”’和“陽極液”作為電池的兩極,通過離子的來回運動來儲存或釋放能量。


其中,溶解在水中的硫作為陽極液,含氧液體鹽溶液為陰極電解液。硫、水、鹽材料的成本很低,對于大規模儲能的電網系統來說,成本的削減,才是讓可再生能源普及和長期運行的關鍵。


報道稱,這款電池如今只有咖啡杯那么大,如果設計應用到大規模的系統中,預計每千瓦時的儲能成本可控制在20~30美元之間(其它儲能系統的每千瓦時儲能成本可能高達100美元)。下一步研究計劃將是提升電池的效率和工作壽命。


但其實,液流電池已經不是一項新的技術了,早在上世紀60年代就已經出現。


以更多人知曉的全釩液流電池舉個例子,全球范圍內生產全釩液流電池的企業主要包括美國UniEnergyTechnologies公司、奧地利Gildemeister公司、日本住友電工公司以及中國大連融科儲能技術發展有限公司。


同鋰電池相比,液流電池規模可大可小,設計靈活、具有可擴展性,從下圖看出,釩液流電池可承受的功率取決于電堆大小,而電量的多少則與儲能罐的大小成正比。而鋰電池卻是固定的大小,規模難以擴大。


液流電池結構圖


另外,相對于鋰電池,液流電池的壽命較長、安全性極高,沒有起火或爆炸隱患,即使遭遇大電流也不會有什么安全問題。


然而,液流電池的密度極地,加之此類電池呈液態,因而占地面積大成為其局限性。這么一看,前文所說的咖啡杯大小的新款液流電池,是不是會成為革命性的發明呢?


使用壽命更長充電更快的鋁電池


其實鋁電池也是一直被人們看好的一項電池技術,因為其能量密度的潛力很大。但是到目前為止,鋁電池還只是被當做金屬燃料電池使用。


比如美鋁加拿大公司和以色列公司Phinergy曾展示的100公斤重的鋁空氣電池儲存了可行駛3000公里的足夠電量。鋁電池只在鋰電池電量耗盡后才啟動,因此可以用很長時間,期間只需每月加注清水。通常在一年左右達到使用極限后,到服務站更換充滿電的鋁電池即可。有點像一次性電池。


為什么鋁電池不做充電電池?


一方面是循環壽命差,一方面是充電速度太慢,不實用。還有一個致命缺點是電解液里面的鋁離子不穩定,很容易發生化學反應帶來危險。這些原因使得鋁電池一直未大規模投入使用。


但別灰心,《自然》雜志發布過一篇關于鋁離子電池的研究,稱“已經看到了新電池的雛形”:


這款鋁離子電池包含兩個電極,一個由鋁制成的帶負電陽極和一個帶正電石墨陰極,電解質其實就是室溫下的液態鹽,最后研究出的可充電鋁電池可以產生2伏電壓。這比任何鋁電池可以產生的電壓都要高,盡管只有典型鋰電池的一半。


研究人員稱,如果改進陰極材料應該可以最終增加電壓和能量密度。這樣的話,鋁電池將成為替代性的新技術:不昂貴的電極、安全、高速充電、靈活和較長壽命。


看來,從實驗室到量產仍舊是一個很長的過程。理想的電池雛形已經有了,鋁比鋰便宜的多,石墨也不貴,接下來只要鋁電池在能量密度,功率密度等指標追平鋰離子電池,替代的一天或將到來。

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