儲能對于當(dāng)今社會日益重要。很難想象沒有電池的當(dāng)今社會，會是什么情況。對于當(dāng)下的儲能技術(shù)水平，很多工程師覺得還不夠好，他們認(rèn)為電能存儲技術(shù)仍有改進(jìn)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(jī)，進(jìn)入以風(fēng)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(xué)家克利絲·普派克帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊正在進(jìn)行大量實驗，以尋找出一種可以作為電池革新的高技術(shù)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(zhì)特性，從而進(jìn)行批量生產(chǎn)。
普派克博士及其研究團(tuán)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(xué)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(dá)1.2億美元的資助。他們的目標(biāo)是在5年內(nèi)，使電池蓄電量增長 4 倍，價格降到當(dāng)前的 1/5。
從改進(jìn)鋰電池開始
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電池，大多都具有3 大構(gòu)成部分：正電極、負(fù)電極和介質(zhì)(又稱電解液)。電解液使正離子在正負(fù)電極間移動，并作用于形成電池的有用電流——負(fù)離子流，使之與正離子達(dá)到平衡。而所謂創(chuàng)造新型電池的技術(shù)，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(jī)電路板兩次起火事件，據(jù)悉便是由這種鋰電池或其控制系統(tǒng)所引起的。
JCESR的新任負(fù)責(zé)人喬治·克拉布特里認(rèn)為，人類對鋰電池性能的發(fā)掘基本已趨于極限，因此，替換鋰電池已是大勢所趨。但其助手吉夫·張伯倫對現(xiàn)行技術(shù)仍保持信心。他說，對于特定重量的鋰電池，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(xué)反應(yīng)存在發(fā)生自燃的危險。所以需要非常嚴(yán)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(xué)反應(yīng)，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，這意味著與鋰電池相比，鎂或鋁電池有可能蘊(yùn)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(jì)學(xué)角度而言，這將是對風(fēng)能及太陽能的一次革命。能源存儲一直是清潔能源發(fā)展的主要問題。JCESR的研究人員正在進(jìn)行“液流電池”的研究。
在傳統(tǒng)電池內(nèi)，電解液用于在正負(fù)電極間傳輸離子。電池充電所獲取的能量轉(zhuǎn)化為正負(fù)極中的化學(xué)勢能進(jìn)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(xué)反應(yīng)時，存儲于電極槽中的電解液將流經(jīng)整個電池，然后到達(dá)反應(yīng)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(fēng)能及太陽能產(chǎn)生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?。也許，使用有機(jī)電解液替代水基電解液能夠打破這一限制。
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