【前言】

新能源儲(chǔ)能領(lǐng)域在最近20年得到了快速的發(fā)展，從大的發(fā)電站儲(chǔ)能，新能源電動(dòng)車，到相對(duì)較小的便攜式電子設(shè)備，和醫(yī)用小心電子設(shè)備都具有廣泛的應(yīng)用。自從1991年鋰電池第一次被商業(yè)化成功后，它就開啟了主導(dǎo)儲(chǔ)能市場(chǎng)之路。由于龐大和快速擴(kuò)大的市場(chǎng)以及它本身的一些缺陷，鋰電池的進(jìn)一步發(fā)展也遇到一些障礙。目前，國(guó)際鋰電池專家正在努力去突破這些缺陷和障礙。但是，為了補(bǔ)充或者部分替代鋰離子電池市場(chǎng)，挖掘和發(fā)展新型儲(chǔ)能設(shè)備也是很重要的一個(gè)發(fā)展方向，從而更好地去完整現(xiàn)在的儲(chǔ)能領(lǐng)域。那么，從目前的研發(fā)領(lǐng)域來看，哪些先進(jìn)的技術(shù)是更有潛力呢？

1.鋰電池的發(fā)展和挑戰(zhàn)

2019年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了三個(gè)在鋰電池領(lǐng)域的科學(xué)家，JohnB.Goodenough，StanleyM.Whittingham，AkiraYoshino，以表彰他們對(duì)鋰離子電池的發(fā)展和應(yīng)用所做的貢獻(xiàn)。諾貝爾化學(xué)委員會(huì)，給出的評(píng)語(yǔ)是：他們創(chuàng)造了一個(gè)可重放的世界（Theycreatedarechargeableworld）。這其實(shí)是對(duì)鋰離子電池發(fā)展的一個(gè)很大的鼓舞。

對(duì)于鋰電池的研究由來已久，但是早期對(duì)于電池中的離子儲(chǔ)存機(jī)理的認(rèn)識(shí)還是傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)。1970年代whittinham等人提出了離子的脫嵌機(jī)理，從而正式開啟了搖椅式離子電池。在鋰離子電池被大量研究之前，對(duì)于鈉離子的儲(chǔ)存研究還是主要的研究方向。但是，Goodenough先后發(fā)現(xiàn)了具有脫嵌機(jī)理的LiCoO2和LiFePO4材料。隨后Yoshino等人通過結(jié)合碳材料和LiCoO2首次研究出了可商業(yè)化使用的鋰離子電池。隨后由于市場(chǎng)對(duì)于電池能量密度的需求越來越高，先后研究出了不同的正極材料來滿足這些需求。從目前來看，鋰離子的電池已經(jīng)完全主導(dǎo)了儲(chǔ)能市場(chǎng)，并且有要完全取代傳統(tǒng)電池的趨勢(shì)。由于石油可能帶來的危機(jī)和大量使用石油所帶來的環(huán)境問題，電動(dòng)車已經(jīng)是被認(rèn)可的未來的交通工具。但是由于長(zhǎng)續(xù)航電動(dòng)車所需要的電池量是巨大的，以及生產(chǎn)鋰電池電極材料所需要的資源有限，無法完全滿足現(xiàn)在和未來的市場(chǎng)需求。那么，在后鋰電時(shí)代，我們需要思考哪些技術(shù)可以填補(bǔ)或者替代一些市場(chǎng)需求。

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2.潛在的替代或者共存儲(chǔ)能技術(shù)

現(xiàn)在資本家和各國(guó)政府對(duì)于鋰離子電池的市場(chǎng)熱度來看，可能現(xiàn)在不適合討論這個(gè)話題，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展考慮，這是一個(gè)無法被忽視的問題。

2.1新型離子電池

從鋰離子的脫嵌式儲(chǔ)存機(jī)理來選擇的話，具有脫嵌功能的，并且質(zhì)量相對(duì)輕的離子，比如鈉離子，鎂離子，鉀離子等完全是一個(gè)潛在的選擇。相比于鋰離子，這些離子還有另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是價(jià)格低廉，并且資源豐富分布均勻。從地殼的資源分布來看，鈉，鎂，鉀等離子的濃度是鋰離子的幾千倍之多。這樣的話就可以有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)價(jià)格低廉的儲(chǔ)能設(shè)備。這些新型離子電池的另外一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)是可以用到現(xiàn)在存在和即將建設(shè)的大量的鋰離子電池的生產(chǎn)線，因?yàn)樗麄兙哂邢嗤膬?chǔ)能機(jī)理和相似的電池結(jié)構(gòu)。

但是由于這些離子的質(zhì)量鋰離子大，所以他們都有一個(gè)通病，能量密度比鋰離子電池低。此外，雖然這些離子的遷移速率理論上要比鋰離子大，但是受到離子尺寸的影響，它們的實(shí)際的離子遷移速率要比鋰離子的小。從實(shí)際應(yīng)用來看，這些新型離子電池，無論是能量密度和充放電速度，都是這些電池的短板。它們的在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。但是在大規(guī)模儲(chǔ)能市場(chǎng)領(lǐng)域還是有很大的應(yīng)用潛力，例如發(fā)電站等。如果在某些方面有很大的突破的話，它們完全有希望在儲(chǔ)能領(lǐng)域占據(jù)一席之地。

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2.2多價(jià)態(tài)金屬電池

多價(jià)態(tài)金屬電池是采用多價(jià)態(tài)的金屬作為負(fù)極，例如鎂，鋁等，以及其他碳和硫作為正極。由于這些金屬是多價(jià)態(tài)，它們們可以轉(zhuǎn)移2個(gè)或者3個(gè)電子，從而具有更高的能量密度。此外，它們的儲(chǔ)量也比鋰豐富，有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)高能量和低成本的儲(chǔ)能電池。從價(jià)格來看，這些金屬的價(jià)格不到碳酸鋰的20%。并且，鎂和鋁金屬的產(chǎn)量也是遠(yuǎn)高于碳酸鋰?？梢源蟠蠼档蛢?chǔ)能成本。安全性也是鋰離子電池需要認(rèn)真考慮的問題。鋰金屬的熔點(diǎn)是180度，但是鎂和鋁的熔點(diǎn)超過600攝氏度，它們的熱穩(wěn)定性要遠(yuǎn)高于鋰金屬。此外，快速的表面氧化也可以其到保護(hù)作用。由于離子能夠儲(chǔ)存多個(gè)電子，因此它們理論上具有更高的能量密度。

從實(shí)際應(yīng)用來看，這些多價(jià)態(tài)的金屬電池具有低價(jià)，熱穩(wěn)定性和安全性更好，因此適用于大規(guī)模儲(chǔ)能的市場(chǎng)。這類電池很難在電動(dòng)車上使用，但是可以作為一個(gè)鋰電池的補(bǔ)充或者延長(zhǎng)電動(dòng)的里程的工具。跟新型離子電池相比，多價(jià)態(tài)的金屬電池還是處于研發(fā)的初級(jí)階段。想要達(dá)到實(shí)際的應(yīng)用水平，還需要有很多問題需要解決，比如開發(fā)使用的電解液和電極材料等。

2.3液流電池

液流電池包含了氧化還原以及燃料電池的儲(chǔ)能機(jī)理。這款電池包括兩個(gè)燃料罐，電極，隔膜和電機(jī)。在兩個(gè)外接的容器中，裝有氧化和還原的溶劑，常用的是釩基溶劑。由于有機(jī)溶劑具有成本優(yōu)勢(shì)，因此有機(jī)溶劑也是被認(rèn)為是具有潛力的燃料。該類電池最大的優(yōu)點(diǎn)就是極高的能量密度，較寬工作溫度區(qū)間和超長(zhǎng)的循環(huán)性能。成本上，有機(jī)系的液流電池會(huì)比釩化物的電池低一半。成本上有機(jī)系電池雖然價(jià)格較低，但是液流成本總體上還是遠(yuǎn)高于鋰離子電池。技術(shù)不成熟也是很大的一部分原因。從安全性和環(huán)保性能上來說，不管是有機(jī)物，釩化物和具有發(fā)射性的物質(zhì)都是安全性低和環(huán)境不友好性的物質(zhì)。

綜合以上因素，液流電池和以上的兩款電池一樣，也是適合在大范圍儲(chǔ)能方面使用。但是它也適合在緊急用電設(shè)備，因?yàn)樗荛L(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存?？偟膩砜?，液流電池還是處于研發(fā)階段，還是需要開發(fā)新型的低價(jià)、無毒以及環(huán)境友好型的材料是首要的任務(wù)。此外，還需要開發(fā)簡(jiǎn)易的儲(chǔ)氫設(shè)備。

【總結(jié)】

從目前的情況來看，目前還是沒有一款儲(chǔ)能設(shè)備能夠完全取代鋰離子電池，滿足如此廣泛的市場(chǎng)需求。但是，受到資源的限制和應(yīng)對(duì)快速的市場(chǎng)發(fā)展需求，不得不考慮要發(fā)展新型的儲(chǔ)能設(shè)備。以上討論幾款最近研究比較熱門和討論的比較多的，并且有潛力能取代鋰離子電池的儲(chǔ)能設(shè)備。但是根據(jù)目前的研究進(jìn)展和分析，它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，都具有能夠取代部分鋰離子電池市場(chǎng)的潛力，例如大規(guī)模儲(chǔ)能市場(chǎng)，緊急設(shè)備等。因此，它們可以成為與鋰離子電池共存的技術(shù)，從而降低鋰離子電池的市場(chǎng)壓力。