如果锂电池能拟人的话, 它一定在想: '朕的江山……不稳了……' .
可不是么, 隔三差五就会有各种实验室称自己研发出了新的电池技术, 一个比一个成本低, 有的更加环保, 有的更安全, 有的寿命更长……锂电池的时代将要落幕了?
今天, 我们看看哪些电池技术正在一步步替代锂电池成为主流.
原材料无处不在的钠离子电池
锂电池什么都好, 就是太贵了.
锂电池的电极材料锂 (Li) 比较稀有, 开采和精炼成本很高. 那么有没有可能, 在常见的材料里可以找出替代锂元素的电极材料呢?
盐 (NaCl) , 听起来不错. 毕竟地球拥有广阔的海洋和盐湖等钠盐来源, 如果可以提取钠作为电极材料, 成本将大幅度下降.
钠离子电池的概念起步于上个世纪80年代, 与锂离子电池几乎同时起步, 钠离子电池的工作原理与锂离子相似, 充电时, Na+从正极材料中脱出, 经过电解液嵌入负极材料, 同时电子通过外电路转移到负极, 保持电荷平衡; 放电时则相反.
一直以来, 人们认为钠离子电池虽然有成本的优势, 但能量密度不及锂电池, 只能在对于能量密度要求不高的领域, 比如电网储能, 调峰, 风力发电储能等方面应用, 然而, 近日斯坦福大学的研究人员们研制的钠离子电池突破了这一认知.
他们研制的钠离子电池, 能够以80%不到的成本, 存储与锂离子电池相当的能量!
这款电池采用了钠盐电极的设计, 充上正电荷的钠离子会游向充负电荷的磷正极——这两种元素在自然界中的储量都很丰富. 最终, 他们的钠离子电池实现了高达484mAh/g的可逆容量, 以及726Wh/kg的能量密度. 新电池的能源效率据称超过了87%, 至于最重要的成本方面, 研究人员声称可以80%不到的投入, 实现与锂离子电池相当的储电量.
下一步, 团队将在磷阳极上投入更多精力, 以便压榨出钠离子电池的更多性能. 与锂离子相比, 团队也希望进一步提升钠离子电池的体积能量密度. 这项研究的详情, 已经发表在近日出版的《自然能源》 (NatureEnergy) 期刊上.
实际上已经有不少企业在发力钠离子电池, 比如丰田.
新闻报道称, 丰田新电池使用了钠基化合物作为正极的钠离子电池, 电池产生的电压高出锂离子电池30%. 这项电池技术可有效提升电动车的续航里程, 最大可达到惊人的1000公里, 而且价位更低. 据悉, 丰田正加快推进研究, 预计2020年前后可投入实际应用. 该电池一旦商业化, 价格会比传统锂电池更低.
成本只有锂离子电池1/5的液流电池
有这么一款电池, 放电的时候, 会吸入来自外界的空气, 而在充电的时候, 它又可以排出空气, 很像人类的呼吸.
根据cnBeta.COM的报道, 麻省理工学院的研究人员们, 已经开发出了一款可以 '呼吸空气' , 长期贮存能量的液流电池, 且在同等能量密度下, 其造价只有锂离子电池的1/5.
液体可以做电池吗? 来看一下原理: 这款可充电液流电池的特点, 是采用了液体的 '阴极电解液' ' 和 '阳极液' 作为电池的两极, 通过离子的来回运动来储存或释放能量.
其中, 溶解在水中的硫作为阳极液, 含氧液体盐溶液为阴极电解液. 硫, 水, 盐材料的成本很低, 对于大规模储能的电网系统来说, 成本的削减, 才是让可再生能源普及和长期运行的关键.
报道称, 这款电池如今只有咖啡杯那么大, 如果设计应用到大规模的系统中, 预计每千瓦时的储能成本可控制在20~30美元之间 (其它储能系统的每千瓦时储能成本可能高达100美元) . 下一步研究计划将是提升电池的效率和工作寿命.
但其实, 液流电池已经不是一项新的技术了, 早在上世纪60年代就已经出现.
以更多人知晓的全钒液流电池举个例子, 全球范围内生产全钒液流电池的企业主要包括美国UniEnergyTechnologies公司, 奥地利Gildemeister公司, 日本住友电工公司以及中国大连融科储能技术发展有限公司.
同锂电池相比, 液流电池规模可大可小, 设计灵活, 具有可扩展性, 从下图看出, 钒液流电池可承受的功率取决于电堆大小, 而电量的多少则与储能罐的大小成正比. 而锂电池却是固定的大小, 规模难以扩大.
液流电池结构图
另外, 相对于锂电池, 液流电池的寿命较长, 安全性极高, 没有起火或爆炸隐患, 即使遭遇大电流也不会有什么安全问题.
然而, 液流电池的密度极地, 加之此类电池呈液态, 因而占地面积大成为其局限性. 这么一看, 前文所说的咖啡杯大小的新款液流电池, 是不是会成为革命性的发明呢?
使用寿命更长充电更快的铝电池
其实铝电池也是一直被人们看好的一项电池技术, 因为其能量密度的潜力很大. 但是到目前为止, 铝电池还只是被当做金属燃料电池使用.
比如美铝加拿大公司和以色列公司Phinergy曾展示的100公斤重的铝空气电池储存了可行驶3000公里的足够电量. 铝电池只在锂电池电量耗尽后才启动, 因此可以用很长时间, 期间只需每月加注清水. 通常在一年左右达到使用极限后, 到服务站更换充满电的铝电池即可. 有点像一次性电池.
为什么铝电池不做充电电池?
一方面是循环寿命差, 一方面是充电速度太慢, 不实用. 还有一个致命缺点是电解液里面的铝离子不稳定, 很容易发生化学反应带来危险. 这些原因使得铝电池一直未大规模投入使用.
但别灰心,《自然》杂志发布过一篇关于铝离子电池的研究, 称 '已经看到了新电池的雏形' :
这款铝离子电池包含两个电极, 一个由铝制成的带负电阳极和一个带正电石墨阴极, 电解质其实就是室温下的液态盐, 最后研究出的可充电铝电池可以产生2伏电压. 这比任何铝电池可以产生的电压都要高, 尽管只有典型锂电池的一半.
研究人员称, 如果改进阴极材料应该可以最终增加电压和能量密度. 这样的话, 铝电池将成为替代性的新技术: 不昂贵的电极, 安全, 高速充电, 灵活和较长寿命.
看来, 从实验室到量产仍旧是一个很长的过程. 理想的电池雏形已经有了, 铝比锂便宜的多, 石墨也不贵, 接下来只要铝电池在能量密度, 功率密度等指标追平锂离子电池, 替代的一天或将到来.
