未來(lái)能源需要更佳儲(chǔ)能方式

儲(chǔ)能對(duì)于當(dāng)今社會(huì)日益重要。很難想象沒(méi)有電池的當(dāng)今社會(huì)，會(huì)是什么情況。對(duì)于當(dāng)下的儲(chǔ)能技術(shù)水平，很多工程師覺(jué)得還不夠好，他們認(rèn)為電能存儲(chǔ)技術(shù)仍有改進(jìn)空間。工程師們希望以合理的價(jià)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(yáng)能等清潔燃料為核心的時(shí)代。這將是未來(lái)能源發(fā)展的一場(chǎng)革命。

位于美國(guó)芝加哥的萊蒙特阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(duì)正在進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，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(guò)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(duì)成立了能源儲(chǔ)存研究聯(lián)合中心(JCESR)，該中心聚集了美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和各大學(xué)在能源研究方面的精英，以及對(duì)此感興趣的能源公司。該中心獲得了美國(guó)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(zhǎng) 4 倍，價(jià)格降到當(dāng)前的 1/5。

從改進(jìn)鋰電池開(kāi)始

無(wú)論是用于汽車(chē)的巨型鉛酸電池，還是為電子讀寫(xiě)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(chēng)電解液)。電解液使正離子在正負(fù)電極間移動(dòng)，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(jià)。

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(dòng)汽車(chē)及混合動(dòng)力系統(tǒng)汽車(chē)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(guò)熱且制作工藝良莠不齊。最近發(fā)生的波音新型 787 夢(mèng)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(lèi)對(duì)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(shì)所趨。但其助手吉夫·張伯倫對(duì)現(xiàn)行技術(shù)仍保持信心。他說(shuō)，對(duì)于特定重量的鋰電池，仍有可能將其儲(chǔ)能提高一倍，而成本降低 30%至40%。

商業(yè)咨詢(xún)公司麥肯錫估測(cè)，鋰電池的競(jìng)爭(zhēng)力可保持到 2020 年，但欲保持這種競(jìng)爭(zhēng)力，仍需大量投入，各類(lèi)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(yáng)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(shí)理論上將擁有巨大的能量密度。這一點(diǎn)十分重要。“供能少”是電動(dòng)汽車(chē)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(chǔ)的6倍。因此，若降低該比率，電動(dòng)汽車(chē)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(xiǎn)。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(jià)離子電池可作為備選之一。通常一個(gè)鋰原子僅有一個(gè)電子可用于化學(xué)反應(yīng)，相比之下，鎂原子有2個(gè)價(jià)電子;而鋁原子則有3個(gè)。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(jià)電子使其能存儲(chǔ)更多的能量。在替代汽油時(shí)，鎂、鋁電池更廉價(jià)，更安全。然而，鎂鋁離子在電解液中較難移動(dòng)，這也是如今需尋找新型材料的原因。

如何實(shí)現(xiàn)“電網(wǎng)級(jí)存儲(chǔ)”

電池革新的另一個(gè)目的是實(shí)現(xiàn)“電網(wǎng)級(jí)存儲(chǔ)”， 如可以通過(guò)十分廉價(jià)的方式實(shí)現(xiàn)“電網(wǎng)級(jí)存儲(chǔ)”，那么從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度而言，這將是對(duì)風(fēng)能及太陽(yáng)能的一次革命。能源存儲(chǔ)一直是清潔能源發(fā)展的主要問(wèn)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(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)。而在液流電池中，電荷存儲(chǔ)在電解液中，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，存儲(chǔ)于電極槽中的電解液將流經(jīng)整個(gè)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(chǔ)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(yáng)能產(chǎn)生的額外電量并加以存儲(chǔ)，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。