接替鋰電池還輪不到液流電池！石墨烯排在前面

日前，美國(guó)哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種新型的液流電池。該團(tuán)隊(duì)表示，這種液流電池不僅可用于智能手機(jī)領(lǐng)域，還可被用于包括可再生能源在內(nèi)的新型能源應(yīng)用領(lǐng)域。

在移動(dòng)時(shí)代，電池技術(shù)成為重中之重，甚至可以說(shuō)沒有電池就沒有移動(dòng)時(shí)代。然而，續(xù)航能力薄弱等問題存在于移動(dòng)設(shè)備的電池中，電池技術(shù)的突破一直是尖端難題，從而制約了移動(dòng)時(shí)代的進(jìn)一步發(fā)展。所以研究人員一直在探索更加有效的發(fā)電能源，以期提升續(xù)航能力。

實(shí)際上，液流電池并非新技術(shù)，早在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)出現(xiàn)。與鋰電池相比，液流電池確實(shí)有一些優(yōu)勢(shì)。然而，這項(xiàng)技術(shù)一直處于研發(fā)階段，遲遲未能投入實(shí)際應(yīng)用，其原因就在于自身的局限性。盡管遇到阻礙，但是探索仍要繼續(xù)，人類一邊使用相對(duì)穩(wěn)妥的新型電池技術(shù)，一邊也在不斷尋找更加清潔的能源來(lái)提升電池技術(shù)。

一、液流電池特性決定優(yōu)勢(shì)，某些方面優(yōu)于鋰電池

哈佛大學(xué)的團(tuán)隊(duì)是由材料與能源科技教授Michael Aziz及化學(xué)與材料科學(xué)教授Roy Gordon所領(lǐng)導(dǎo)的。他們所研究的新型液流電池基于一種中性PH水溶液中的有機(jī)分子進(jìn)行發(fā)電，其安全性與壽命皆優(yōu)于目前的電池產(chǎn)品。

其實(shí)，液流電池領(lǐng)域并不算“荒地”，上世紀(jì)60年代，鐵—鉻體系的氧化還原電池就已經(jīng)出現(xiàn)，可看作是全釩液流電池的前身。經(jīng)過多年的研發(fā)，該技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并有望投入商用。與鋰離子電池相比，這種液流電池確實(shí)存在優(yōu)勢(shì)。

第一，其規(guī)?？纱罂尚?，設(shè)計(jì)靈活。

對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最重要的因素是電量和功率。通常情況下，釩液流電池可承受的功率取決于電堆大小，而電量的多少則與儲(chǔ)能罐的大小成正比。無(wú)論工程項(xiàng)目對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)提出怎樣的要求，設(shè)計(jì)者都可以靈活地做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)并且能夠隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

上圖為液流電池結(jié)構(gòu)圖

反觀鋰離子電池，則是將儲(chǔ)能材料涂在集流體表面形成電極，其工藝及性能都是固定的，很難根據(jù)具體項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整。兩相對(duì)比之下，液流電池的優(yōu)勢(shì)顯而易見。

更重要的是，液流電池具有可擴(kuò)展性。液流電池不管存儲(chǔ)量如何，結(jié)構(gòu)和控制方法幾乎都一樣，只要將儲(chǔ)能電解液混合均勻，就可以保證SOC(充放電深度)一致。

如想制造同樣規(guī)模的鋰電池，則需要堆疊電池?cái)?shù)量，同時(shí)運(yùn)用極為復(fù)雜的BMS(電池管理系統(tǒng))來(lái)管理每節(jié)電池的溫度及SOC。稍有不慎，過充、過放、過熱都會(huì)導(dǎo)致電池報(bào)廢甚至引發(fā)危險(xiǎn)，這也是為何智能手機(jī)電池有時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸的重要原因。

第二，液流電池壽命長(zhǎng)。

目前市面上的鋰電池壽命約為1000~5000次。其主要儲(chǔ)能原理是在固態(tài)電極上的嵌入和脫嵌，此種方式極易產(chǎn)生裂紋從而使電池壽命終結(jié)。

液流電池的充放電機(jī)理則是基于化合價(jià)的變化，而非普通電池的物理變化，故而使用壽命極長(zhǎng)。而且全釩液流電池由于正負(fù)極之間隔著離子交換膜，避免了正負(fù)電解液因混合而發(fā)生交叉感染的可能，相較于其他液流電池壽命更長(zhǎng)。

第三，液流電池安全性極高。

正如第一點(diǎn)中所提到的，液流電池的特性使其安全性能得以保障。無(wú)起火或爆炸隱患，即使遭遇大電流也不會(huì)有什么安全問題。

此外，液流電池能量效率高達(dá)75%~80%，啟動(dòng)速度只需0.02s，且電池部件多為廉價(jià)的碳材料，無(wú)需貴金屬作催化劑。

目前，全球范圍內(nèi)生產(chǎn)全釩液流電池的企業(yè)主要包括美國(guó)UniEnergy Technologies公司、奧地利Gildemeister公司、日本住友電工公司以及中國(guó)大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司。

其中，融科儲(chǔ)能公司累計(jì)實(shí)現(xiàn)全釩液流電池裝機(jī)容量超過12MW，占世界總裝機(jī)量的40%，而且還擁有世界上第一套實(shí)際并網(wǎng)運(yùn)行的5MW級(jí)大型工業(yè)儲(chǔ)能裝置。這意味著中國(guó)各項(xiàng)指標(biāo)都處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

盡管液流電池有如此多的優(yōu)勢(shì)，且有一定規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用，但目前并未看到其大規(guī)模的投入商用和進(jìn)入消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，原因在于液流電池自身存在的局限性頗多。

二、液流電池遲遲未能商用，自身局限性較多

作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，液流電池在風(fēng)電等大型儲(chǔ)能領(lǐng)域尚處試驗(yàn)階段，商用就更是難以企及。上文哈佛大學(xué)研究的新型液流電池亦處于研發(fā)階段，可以先探究目前已有的液流電池中主要的釩系電池存在怎樣的局限性。

從理論上來(lái)講，釩的化合物可以作為添加劑，放入現(xiàn)有的鋰電池中，這就類似于石墨烯的用途。

然而，釩電池正極液中五價(jià)釩離子在溫度高于45度的情況下，會(huì)析出一種名為五氧化二釩的劇毒物質(zhì)。該物質(zhì)的沉淀會(huì)堵塞流道，包覆碳?xì)掷w維，惡化電堆性能，最終致使電池報(bào)廢。更重要的是，五氧化二釩這種劇毒物質(zhì)可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

此外，全釩液流電池需投入極高成本。比如一個(gè)5千瓦的液流電池，共計(jì)需投入40.6萬(wàn)的主材料成本，還要額外投入次要材料及人力成本。

最后，液流電池能量密度極低，大概只有40Wh/kg，加之此類電池呈液態(tài)，因而占地面積大。

基于以上局限性，液流電池很難大規(guī)模應(yīng)用，更難實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

對(duì)液流電池的探索代表了人類不斷尋找新能源的決心，只是目前這種技術(shù)還不夠成熟。相比之下，石墨烯電池技術(shù)比較穩(wěn)妥，已在智能設(shè)備中有所應(yīng)用，而人類也在不斷尋找更加清潔的能源用于發(fā)電。

三、穩(wěn)妥的電池技術(shù)得以商用，未來(lái)存在更多可能

在當(dāng)今的新興電池技術(shù)中，石墨烯電池技術(shù)算是比較穩(wěn)妥的。去年年底，華為在第57屆日本電池大會(huì)上推出了首個(gè)應(yīng)用了石墨烯技術(shù)的鋰離子電池。這種電池借助了新型的耐高溫技術(shù)，可將鋰離子電池的上限溫度提高10度，其使用壽命也達(dá)到了普通鋰離子電池的2倍。

相比于尚處研發(fā)中的新型液流電池，石墨烯似乎更靠譜一些。當(dāng)然，石墨烯本身也存在著一些局限性，但畢竟已經(jīng)在智能設(shè)備中得以應(yīng)用。

因此就目前的情況來(lái)看，石墨烯會(huì)在下一階段更多地被應(yīng)用于提升電池技術(shù)之中。在電池技術(shù)發(fā)展的道路上，一蹴而就是行不通的，而通過穩(wěn)妥的、成熟的技術(shù)逐漸進(jìn)行過渡，應(yīng)該會(huì)取得更好的效果。

當(dāng)然，這并不是說(shuō)電池技術(shù)領(lǐng)域可以為求穩(wěn)妥而停滯不前。相反，為了使電池技術(shù)不再成為移動(dòng)時(shí)代發(fā)展的阻力，應(yīng)該更大膽地去利用一切可能利用的能源為電池技術(shù)的進(jìn)步提供動(dòng)力?，F(xiàn)在已經(jīng)有相關(guān)的研究，并且也取得了進(jìn)展。

比如日前美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研制出了新的發(fā)電方法，利用化石燃料發(fā)電廠排放的二氧化碳與空氣中的二氧化碳形成的濃度差發(fā)電。這種名為“流動(dòng)單元”的裝置產(chǎn)生的平均功率密度為0.82瓦/平方米，高于以前近似方法獲得值的200倍左右。該研究成果已發(fā)表在最新一期的《環(huán)境科學(xué)和技術(shù)》雜志上。

無(wú)獨(dú)有偶，芬蘭科學(xué)家也在研究如何利用動(dòng)能、熱能及太陽(yáng)能為設(shè)備供電方面取得了一些進(jìn)展。研究人員研發(fā)了一種名為KBNNO的鐵電材料，將熱量及壓力轉(zhuǎn)化為電力。芬蘭University of Oulu(盧奧大學(xué))的研究人員則利用鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)從多個(gè)能量源中提取能量，并希望能夠通過研究收集到更多的能量。

這種設(shè)備的制造過程并不復(fù)雜，一旦找到了最佳材料，在之后的幾年就有可能將這一技術(shù)投入商用。如果這種設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)，我們可能不必再將移動(dòng)設(shè)備插入插座上充電，而是從自然能量中獲得源源不斷的電力，實(shí)現(xiàn)真正的能源清潔。

通過以上成果可以作樂觀的預(yù)測(cè)，未來(lái)在電池領(lǐng)域?qū)?huì)出現(xiàn)更多的新技術(shù)，它們可以提升電池的利用率、續(xù)航能力等要素。在電池技術(shù)乃至任何一種技術(shù)的發(fā)展道路上，既需要穩(wěn)妥成熟的前行，也需要大膽前衛(wèi)的創(chuàng)新，二者結(jié)合才可能更好地推動(dòng)移動(dòng)時(shí)代的進(jìn)一步發(fā)展。