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[导读]储能对于当今社会日益重要。很难想象没有电池的当今社会,会是什么情况。对于当下的储能技术水平,很多工程师觉得还不够好,他们认为电能存储技术仍有改进空间。工程师们希

储能对于当今社会日益重要。很难想象没有电池的当今社会,会是什么情况。对于当下的储能技术水平,很多工程师觉得还不够好,他们认为电能存储技术仍有改进空间。工程师们希望以合理的价格生产高效的电池,淘汰内燃机,进入以风能、太阳能等清洁燃料为核心的时代。这将是未来能源发展的一场革命。

 

 

位于美国芝加哥的莱蒙特阿尔贡国家实验室内,由工业化学家克利丝·普派克带领的研究团队正在进行大量实验,以寻找出一种可以作为电池革新的高技术材料,并确定这种材料可以通过低廉的方法获取,且具有所需物质特性,从而进行批量生产。

普派克博士及其研究团队成立了能源储存研究联合中心(JCESR),该中心聚集了美国国家实验室和各大学在能源研究方面的精英,以及对此感兴趣的能源公司。该中心获得了美国能源部高达1.2亿美元的资助。他们的目标是在5年内,使电池蓄电量增长 4 倍,价格降到当前的 1/5。

从改进锂电池开始

无论是用于汽车的巨型铅酸电池,还是为电子读写器、手表等供能的袖珍圆型锂电池,大多都具有3 大构成部分:正电极、负电极和介质(又称电解液)。电解液使正离子在正负电极间移动,并作用于形成电池的有用电流——负离子流,使之与正离子达到平衡。而所谓创造新型电池的技术,便是在这 3 部分材料上着手,使其性能更优化、成本更廉价。

在日常生活中,锂电池的用途十分广泛,它们为马路上行驶的多数电动汽车及混合动力系统汽车供能,这使其在业内拥有不可忽视的地位;而锂电池最大的缺陷是容易过热且制作工艺良莠不齐。最近发生的波音新型 787 梦幻客机电路板两次起火事件,据悉便是由这种锂电池或其控制系统所引起的。

JCESR的新任负责人乔治·克拉布特里认为,人类对锂电池性能的发掘基本已趋于极限,因此,替换锂电池已是大势所趋。但其助手吉夫·张伯伦对现行技术仍保持信心。他说,对于特定重量的锂电池,仍有可能将其储能提高一倍,而成本降低 30%至40%。

商业咨询公司麦肯锡估测,锂电池的竞争力可保持到 2020 年,但欲保持这种竞争力,仍需大量投入,各类可与锂电池相媲美的电池已纷纷面世。

其中的代表就是锂—空气电池,金属锂在阳极被氧化,形成氧化锂,然后停留在阴极,其原理是使用空气中的氧气作为电解液。因此,该电池重量较轻,同时理论上将拥有巨大的能量密度。这一点十分重要。“供能少”是电动汽车的一大缺陷。例如,1公斤汽油的能量是同等重量电池可存储的6倍。因此,若降低该比率,电动汽车便能赢得更多人的青睐。

但锂—空气电池同样存在弊病——充电困难,并极不稳定,其中可生成能量的化学反应存在发生自燃的危险。所以需要非常严格的安全系统以防止其着火。

但是,多价离子电池可作为备选之一。通常一个锂原子仅有一个电子可用于化学反应,相比之下,镁原子有2个价电子;而铝原子则有3个。从理论上讲,这意味着与锂电池相比,镁或铝电池有可能蕴含 2 或 3 倍的能量,其附加的价电子使其能存储更多的能量。在替代汽油时,镁、铝电池更廉价,更安全。然而,镁铝离子在电解液中较难移动,这也是如今需寻找新型材料的原因。

如何实现“电网级存储”

电池革新的另一个目的是实现“电网级存储”, 如可以通过十分廉价的方式实现“电网级存储”,那么从经济学角度而言,这将是对风能及太阳能的一次革命。能源存储一直是清洁能源发展的主要问题。JCESR的研究人员正在进行“液流电池”的研究。

在传统电池内,电解液用于在正负电极间传输离子。电池充电所获取的能量转化为正负极中的化学势能进行存储。而在液流电池中,电荷存储在电解液中,发生电化学反应时,存储于电极槽中的电解液将流经整个电池,然后到达反应发生的位置。

与以单节为单位的普通电池不同,液流电池能够被制作成规模庞大的电池单元,因此储能量极为可观。所以有人提议,使用液流电池收集由风能及太阳能产生的额外电量并加以存储,以供日后使用。

但是,液流电池使用水基电解液,而水本身又易于被电解液分解,这限制了液流电池的发展潜力。也许,使用有机电解液替代水基电解液能够打破这一限制。

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