如果鋰電池能擬人的話, 它一定在想: '朕的江山……不穩了……' .
可不是麼, 隔三差五就會有各種實驗室稱自己研發出了新的電池技術, 一個比一個成本低, 有的更加環保, 有的更安全, 有的壽命更長……鋰電池的時代將要落幕了?
今天, 我們看看哪些電池技術正在一步步替代鋰電池成為主流.
原材料無處不在的鈉離子電池
鋰電池什麼都好, 就是太貴了.
鋰電池的電極材料鋰 (Li) 比較稀有, 開採和精鍊成本很高. 那麼有沒有可能, 在常見的材料裡可以找出替代鋰元素的電極材料呢?
鹽 (NaCl) , 聽起來不錯. 畢竟地球擁有廣闊的海洋和鹽湖等鈉鹽來源, 如果可以提取鈉作為電極材料, 成本將大幅度下降.
鈉離子電池的概念起步於上個世紀80年代, 與鋰離子電池幾乎同時起步, 鈉離子電池的工作原理與鋰離子相似, 充電時, Na+從正極材料中脫出, 經過電解液嵌入負極材料, 同時電子通過外電路轉移到負極, 保持電荷平衡; 放電時則相反.
一直以來, 人們認為鈉離子電池雖然有成本的優勢, 但能量密度不及鋰電池, 只能在對於能量密度要求不高的領域, 比如電網儲能, 調峰, 風力發電儲能等方面應用, 然而, 近日斯坦福大學的研究人員們研製的鈉離子電池突破了這一認知.
他們研製的鈉離子電池, 能夠以80%不到的成本, 存儲與鋰離子電池相當的能量!
這款電池採用了鈉鹽電極的設計, 充上正電荷的鈉離子會遊向充負電荷的磷正極——這兩種元素在自然界中的儲量都很豐富. 最終, 他們的鈉離子電池實現了高達484mAh/g的可逆容量, 以及726Wh/kg的能量密度. 新電池的能源效率據稱超過了87%, 至於最重要的成本方面, 研究人員聲稱可以80%不到的投入, 實現與鋰離子電池相當的儲電量.
下一步, 團隊將在磷陽極上投入更多精力, 以便壓榨出鈉離子電池的更多性能. 與鋰離子相比, 團隊也希望進一步提升鈉離子電池的體積能量密度. 這項研究的詳情, 已經發表在近日出版的《自然能源》 (NatureEnergy) 期刊上.
實際上已經有不少企業在發力鈉離子電池, 比如豐田.
新聞報道稱, 豐田新電池使用了鈉基化合物作為正極的鈉離子電池, 電池產生的電壓高出鋰離子電池30%. 這項電池技術可有效提升電動車的續航裡程, 最大可達到驚人的1000公裡, 而且價位更低. 據悉, 豐田正加快推進研究, 預計2020年前後可投入實際應用. 該電池一旦商業化, 價格會比傳統鋰電池更低.
成本只有鋰離子電池1/5的液流電池
有這麼一款電池, 放電的時候, 會吸入來自外界的空氣, 而在充電的時候, 它又可以排出空氣, 很像人類的呼吸.
根據cnBeta.COM的報道, 麻省理工學院的研究人員們, 已經開發出了一款可以 '呼吸空氣' , 長期貯存能量的液流電池, 且在同等能量密度下, 其造價只有鋰離子電池的1/5.
液體可以做電池嗎? 來看一下原理: 這款可充電液流電池的特點, 是採用了液體的 '陰極電解液' ' 和 '陽極液' 作為電池的兩極, 通過離子的來回運動來儲存或釋放能量.
其中, 溶解在水中的硫作為陽極液, 含氧液體鹽溶液為陰極電解液. 硫, 水, 鹽材料的成本很低, 對於大規模儲能的電網系統來說, 成本的削減, 才是讓可再生能源普及和長期運行的關鍵.
報道稱, 這款電池如今只有咖啡杯那麼大, 如果設計應用到大規模的系統中, 預計每千瓦時的儲能成本可控制在20~30美元之間 (其它儲能系統的每千瓦時儲能成本可能高達100美元) . 下一步研究計劃將是提升電池的效率和工作壽命.
但其實, 液流電池已經不是一項新的技術了, 早在上世紀60年代就已經出現.
以更多人知曉的全釩液流電池舉個例子, 全球範圍內生產全釩液流電池的企業主要包括美國UniEnergyTechnologies公司, 奧地利Gildemeister公司, 日本住友電工公司以及中國大連融科儲能技術發展有限公司.
同鋰電池相比, 液流電池規模可大可小, 設計靈活, 具有可擴展性, 從下圖看出, 釩液流電池可承受的功率取決於電堆大小, 而電量的多少則與儲能罐的大小成正比. 而鋰電池卻是固定的大小, 規模難以擴大.
液流電池結構圖
另外, 相對於鋰電池, 液流電池的壽命較長, 安全性極高, 沒有起火或爆炸隱患, 即使遭遇大電流也不會有什麼安全問題.
然而, 液流電池的密度極地, 加之此類電池呈液態, 因而佔地面積大成為其局限性. 這麼一看, 前文所說的咖啡杯大小的新款液流電池, 是不是會成為革命性的發明呢?
使用壽命更長充電更快的鋁電池
其實鋁電池也是一直被人們看好的一項電池技術, 因為其能量密度的潛力很大. 但是到目前為止, 鋁電池還只是被當做金屬燃料電池使用.
比如美鋁加拿大公司和以色列公司Phinergy曾展示的100公斤重的鋁空氣電池儲存了可行駛3000公裡的足夠電量. 鋁電池只在鋰電池電量耗盡後才啟動, 因此可以用很長時間, 期間只需每月加註清水. 通常在一年左右達到使用極限後, 到服務站更換充滿電的鋁電池即可. 有點像一次性電池.
為什麼鋁電池不做充電電池?
一方面是迴圈壽命差, 一方面是充電速度太慢, 不實用. 還有一個致命缺點是電解液裡面的鋁離子不穩定, 很容易發生化學反應帶來危險. 這些原因使得鋁電池一直未大規模投入使用.
但別灰心,《自然》雜誌發布過一篇關於鋁離子電池的研究, 稱 '已經看到了新電池的雛形' :
這款鋁離子電池包含兩個電極, 一個由鋁製成的帶負電陽極和一個帶正電石墨陰極, 電解質其實就是室溫下的液態鹽, 最後研究出的可充電鋁電池可以產生2伏電壓. 這比任何鋁電池可以產生的電壓都要高, 儘管只有典型鋰電池的一半.
研究人員稱, 如果改進陰極材料應該可以最終增加電壓和能量密度. 這樣的話, 鋁電池將成為替代性的新技術: 不昂貴的電極, 安全, 高速充電, 靈活和較長壽命.
看來, 從實驗室到量產仍舊是一個很長的過程. 理想的電池雛形已經有了, 鋁比鋰便宜的多, 石墨也不貴, 接下來只要鋁電池在能量密度, 功率密度等指標追平鋰離子電池, 替代的一天或將到來.
