鉅大LARGE | 點擊量:1179次 | 2020年07月09日
未來能源要更佳的儲能方式
儲能關于當今社會日益重要。很難想象沒有電池的當今社會,會是什么情況。關于當下的儲能技術水平,很多工程師覺得還不夠好,他們認為電能存儲技術仍有改進空間。工程師們希望以合理的價格生產(chǎn)高效的電池,淘汰內(nèi)燃機,進入以風能、太陽能等清潔燃料為核心的時代。這將是未來能源發(fā)展的一場革命。
位于美國芝加哥的萊蒙特阿爾貢國家實驗室內(nèi),由工業(yè)化學家克利絲普派克帶領的研究團隊正在進行大量實驗,以尋找出一種可以作為電池革新的高技術材料,并確定這種材料可以通過低廉的方法獲取,且具有所需物質特性,從而進行批量生產(chǎn)。
普派克博士及其研究團隊成立了能源儲存研究聯(lián)合中心(JCESR),該中心聚集了美國國家實驗室和各大學在能源研究方面的精英,以及對此感興趣的能源公司。該中心獲得了美國能源部高達1.2億美元的資助。他們的目標是在5年內(nèi),使電池蓄電量上升4倍,價格降到當前的1/5。
從改進鋰離子電池開始
無論是用于汽車的巨型鉛酸電池,還是為電子讀寫器、手表等供能的袖珍圓型鋰離子電池,大多都具有3大構成部分:正電極、負電極和介質(又稱電解液)。電解液使正離子在正負電極間移動,并用途于形成電池的有用電流負離子流,使之與正離子達到平衡。而所謂創(chuàng)造新型電池的技術,便是在這3部分材料上著手,使其性能更優(yōu)化、成本更廉價。
在日常生活中,鋰離子電池的用途十分廣泛,它們?yōu)轳R路上行駛的多數(shù)電動汽車及混合動力系統(tǒng)汽車供能,這使其在業(yè)內(nèi)擁有不可忽視的地位;而鋰離子電池最大的缺陷是容易過熱且制作工藝良莠不齊。最近發(fā)生的波音新型787夢幻客機電路板兩次起火事件,據(jù)悉便是由這種鋰離子電池或其控制系統(tǒng)所引起的。
JCESR的新任負責人喬治克拉布特里認為,人類對鋰離子電池性能的發(fā)掘基本已趨于極限,因此,替換鋰離子電池已是大勢所趨。但其助手吉夫張伯倫對現(xiàn)行技術仍保持信心。他說,關于特定重量的鋰離子電池,仍有可能將其儲能提高一倍,而成本降低30%至40%。
商業(yè)咨詢公司麥肯錫估測,鋰離子電池的競爭力可保持到2020年,但欲保持這種競爭力,仍需大量投入,各類可與鋰離子電池相媲美的電池已紛紛面世。
其中的代表就是鋰空氣電池,金屬鋰在陽極被氧化,形成氧化鋰,然后停留在陰極,其原理是使用空氣中的氧氣作為電解液。因此,該電池重量較輕,同時理論上將擁有巨大的能量密度。這一點十分重要。供能少是電動汽車的一大缺陷。例如,1公斤汽油的能量是同等重量電池可存儲的6倍。因此,若降低該比率,電動汽車便能贏得更多人的青睞。
但鋰空氣電池同樣存在弊病充電困難,并極不穩(wěn)定,其中可生成能量的化學反應存在發(fā)生自燃的危險。所以要非常嚴格的安全系統(tǒng)以防止其著火。
但是,多價離子電池可作為備選之一。通常一個鋰原子僅有一個電子可用于化學反應,相比之下,鎂原子有2個價電子;而鋁原子則有3個。從理論上講,這意味著與鋰離子電池相比,鎂或鋁電池有可能蘊含2或3倍的能量,其附加的價電子使其能存儲更多的能量。在替代汽油時,鎂、鋁電池更廉價,更安全。然而,鎂鋁離子在電解液中較難移動,這也是如今需尋找新型材料的原因。
如何實現(xiàn)電網(wǎng)級存儲
電池革新的另一個目的是實現(xiàn)電網(wǎng)級存儲,如可以通過十分廉價的方式實現(xiàn)電網(wǎng)級存儲,那么從經(jīng)濟學角度而言,這將是對風能及太陽能的一次革命。能源存儲一直是清潔能源發(fā)展的重要問題。JCESR的研究人員正在進行液流電池的研究。
在傳統(tǒng)電池內(nèi),電解液用于在正負電極間傳輸離子。電池充電所獲取的能量轉化為正負極中的化學勢能進行存儲。而在液流電池中,電荷存儲在電解液中,發(fā)生電化學反應時,存儲于電極槽中的電解液將流經(jīng)整個電池,然后到達反應發(fā)生的位置。
與以單節(jié)為單位的普通電池不同,液流電池能夠被制作成規(guī)模龐大的電池單元,因此儲能量極為可觀。所以有人提議,使用液流電池收集由風能及太陽能出現(xiàn)的額外電量并加以存儲,以供日后使用。
但是,液流電池使用水基電解液,而水本身又易于被電解液分解,這限制了液流電池的發(fā)展?jié)摿ΑR苍S,使用有機電解液替代水基電解液能夠打破這一限制。