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因为这些储能技术 锂电池的江山要坐不稳了

作者:中国储能网新闻中心  来源:无所不能  发布时间:2017-10-19 14:38:53

中国储能网讯:如果锂电池能拟人的话,它一定在想:“朕的江山……不稳了……”。

可不是么,隔三差五就会有各种实验室称自己研发出了新的电池技术,一个比一个成本低、有的更加环保、有的更安全、有的寿命更长……锂电池的时代将要落幕了?

今天,我们看看哪些电池技术正在一步步替代锂电池成为主流。

原材料无处不在的钠离子电池

锂电池什么都好,就是太贵了。

锂电池的电极材料锂(Li)比较稀有,开采和精炼成本很高。那么有没有可能,在常见的材料里可以找出替代锂元素的电极材料呢?

盐(NaCl),听起来不错。毕竟地球拥有广阔的海洋和盐湖等钠盐来源,如果可以提取钠作为电极材料,成本将大幅度下降。

钠离子电池的概念起步于上个世纪80年代,与锂离子电池几乎同时起步,钠离子电池的工作原理与锂离子相似,充电时,Na+从正极材料中脱出,经过电解液嵌入负极材料,同时电子通过外电路转移到负极,保持电荷平衡;放电时则相反。

一直以来,人们认为钠离子电池虽然有成本的优势,但能量密度不及锂电池,只能在对于能量密度要求不高的领域,比如电网储能、调峰,风力发电储能等方面应用,然而,近日斯坦福大学的研究人员们研制的钠离子电池突破了这一认知。

他们研制的钠离子电池,能够以 80% 不到的成本,存储与锂离子电池相当的能量!

这款电池采用了钠盐电极的设计,充上正电荷的钠离子会游向充负电荷的磷正极——这两种元素在自然界中的储量都很丰富。最终,他们的钠离子电池实现了高达 484 mAh/g 的可逆容量、以及 726 Wh/kg 的能量密度。新电池的能源效率据称超过了87%,至于最重要的成本方面,研究人员声称可以80%不到的投入,实现与锂离子电池相当的储电量。

下一步,团队将在磷阳极上投入更多精力,以便压榨出钠离子电池的更多性能。与锂离子相比,团队也希望进一步提升钠离子电池的体积能量密度。这项研究的详情,已经发表在近日出版的《自然能源》(Nature Energy)期刊上。

实际上已经有不少企业在发力钠离子电池,比如丰田。

新闻报道称,丰田新电池使用了钠基化合物作为正极的钠离子电池,电池产生的电压高出锂离子电池30%。这项电池技术可有效提升电动车的续航里程,最大可达到惊人的1000公里,而且价位更低。据悉,丰田正加快推进研究,预计2020年前后可投入实际应用。该电池一旦商业化,价格会比传统锂电池更低。

成本只有锂离子电池1/5的液流电池

有这么一款电池,放电的时候,会吸入来自外界的空气,而在充电的时候,它又可以排出空气,很像人类的呼吸。

根据cnBeta.COM的报道,麻省理工学院的研究人员们,已经开发出了一款可以“呼吸空气”、长期贮存能量的液流电池,且在同等能量密度下,其造价只有锂离子电池的 1/5 。

液体可以做电池吗?来看一下原理:这款可充电液流电池的特点,是采用了液体的“阴极电解液”’和“阳极液”作为电池的两极,通过离子的来回运动来储存或释放能量。

其中,溶解在水中的硫作为阳极液,含氧液体盐溶液为阴极电解液。硫、水、盐材料的成本很低,对于大规模储能的电网系统来说,成本的削减,才是让可再生能源普及和长期运行的关键。

报道称,这款电池如今只有咖啡杯那么大,如果设计应用到大规模的系统中,预计每千瓦时的储能成本可控制在 20~30 美元之间(其它储能系统的每千瓦时储能成本可能高达 100 美元)。下一步研究计划将是提升电池的效率和工作寿命。

但其实,液流电池已经不是一项新的技术了,早在上世纪60年代就已经出现。

以更多人知晓的全钒液流电池举个例子,全球范围内生产全钒液流电池的企业主要包括美国UniEnergy Technologies公司、奥地利Gildemeister公司、日本住友电工公司以及中国大连融科储能技术发展有限公司。

同锂电池相比,液流电池规模可大可小,设计灵活、具有可扩展性,从下图看出,钒液流电池可承受的功率取决于电堆大小,而电量的多少则与储能罐的大小成正比。而锂电池却是固定的大小,规模难以扩大。

液流电池结构图

另外,相对于锂电池,液流电池的寿命较长、安全性极高,没有起火或爆炸隐患,即使遭遇大电流也不会有什么安全问题。

然而,液流电池的密度极地,加之此类电池呈液态,因而占地面积大成为其局限性。这么一看,前文所说的咖啡杯大小的新款液流电池,是不是会成为革命性的发明呢?

使用寿命更长充电更快的铝电池

其实铝电池也是一直被人们看好的一项电池技术,因为其能量密度的潜力很大。但是到目前为止,铝电池还只是被当做金属燃料电池使用。

比如美铝加拿大公司和以色列公司Phinergy曾展示的100公斤重的铝空气电池储存了可行驶3000公里的足够电量。铝电池只在锂电池电量耗尽后才启动,因此可以用很长时间,期间只需每月加注清水。通常在一年左右达到使用极限后,到服务站更换充满电的铝电池即可。有点像一次性电池。

为什么铝电池不做充电电池?

一方面是循环寿命差,一方面是充电速度太慢,不实用。还有一个致命缺点是电解液里面的铝离子不稳定,很容易发生化学反应带来危险。这些原因使得铝电池一直未大规模投入使用。

但别灰心,《自然》杂志发布过一篇关于铝离子电池的研究,称“已经看到了新电池的雏形”:

这款铝离子电池包含两个电极,一个由铝制成的带负电阳极和一个带正电石墨阴极,电解质其实就是室温下的液态盐,最后研究出的可充电铝电池可以产生2伏电压。这比任何铝电池可以产生的电压都要高,尽管只有典型锂电池的一半。

研究人员称,如果改进阴极材料应该可以最终增加电压和能量密度。这样的话,铝电池将成为替代性的新技术:不昂贵的电极、安全、高速充电、灵活和较长寿命。

看来,从实验室到量产仍旧是一个很长的过程。理想的电池雏形已经有了,铝比锂便宜的多,石墨也不贵,接下来只要铝电池在能量密度,功率密度等指标追平锂离子电池,替代的一天或将到来。

关键字:储能技术

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