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儲(chǔ)能電池新技術(shù)將滿足取代充電機(jī)充電鋰離子電池的需求

2018-8-14 12:44:56??????點(diǎn)擊:
充電機(jī)充電鋰離子電池已經(jīng)成為公用事業(yè)公司主要采用的固定式儲(chǔ)能電池。然而,麻省理工學(xué)院研究人員研發(fā)生產(chǎn)的創(chuàng)新型熔融電極電池可能會(huì)替代它。
  
  雖然采用了越來(lái)越多的可再生能源,但人們卻無(wú)法控制太陽(yáng)照射或風(fēng)吹的時(shí)間,這使得在風(fēng)能和太陽(yáng)能資源不足時(shí)很難為電網(wǎng)持續(xù)提供電力。而為了維持電力供應(yīng),滿足對(duì)電力的持續(xù)需求,需要一些存儲(chǔ)可再生能源或傳統(tǒng)電廠生產(chǎn)的電能。公用事業(yè)公司采用的固定式儲(chǔ)能產(chǎn)品主要有兩種:充電機(jī)充電鋰離子電池和幾種電化學(xué)電池。
儲(chǔ)能電池新技術(shù)將滿足取代充電機(jī)充電鋰離子電池的需求  
  根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)Navigant Research公司的調(diào)查,過(guò)去幾年來(lái),充電機(jī)充電鋰離子電池已成為固定儲(chǔ)能項(xiàng)目中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。其中一個(gè)原因是由于電動(dòng)汽車行業(yè)的生產(chǎn)能力和銷量增加,大量的需求導(dǎo)致充電機(jī)充電鋰離子電池組成本急劇下降。通常,選擇充電機(jī)充電鋰離子電池是因?yàn)槠浣Y(jié)合了低成本和信譽(yù)良好的供應(yīng)商的優(yōu)勢(shì)。但Navigant Research公司指出,“盡管它們很受歡迎,但充電機(jī)充電鋰離子電池并不適合某些固定存儲(chǔ)應(yīng)用?!?br />   
  開發(fā)電池儲(chǔ)能新技術(shù)
  
  而麻省理工學(xué)院日前開發(fā)的一種新型金屬網(wǎng)膜技術(shù)可以解決一些存在的問題,并可以實(shí)現(xiàn)成本更低的儲(chǔ)能。
  
  非充電機(jī)充電鋰離子電池技術(shù)供應(yīng)商希望利用新型電能進(jìn)入快速發(fā)展的儲(chǔ)能行業(yè)。例如,麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種新的熔融電極儲(chǔ)能電池。該電池基于由液態(tài)金屬制成的電極,并配有可用于電網(wǎng)規(guī)模安裝的新型金屬網(wǎng)膜。網(wǎng)膜中包含的液態(tài)金屬采用鈉或其他金屬。其電池電極另一端采用的液態(tài)金屬是鉛、錫或鋅等金屬。這與依賴固體鎳和固體氯化鎳的鈉氯化鎳電池有很大不同,其熔鹽由電極中的金屬氯化物組成。
  
  麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)由Donald Sadoway教授、材料化學(xué)教授JohnF.Elliott、Postdocs Huayi Yin和Brice Chung以及其他四人組成的,該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的電池基于液體鈉電極材料,這種技術(shù)在1968年首次推出,但卻從未作為一種實(shí)用方法實(shí)施,這是由于具有一個(gè)顯著的缺點(diǎn),:它需要使用薄膜來(lái)分離其熔融物組件,而制造這種薄膜所需的唯一材料是脆弱且易碎的陶瓷。這種薄膜使得電池在實(shí)際操作條件下容易損壞,因此除了一些特殊的工業(yè)應(yīng)用之外,該系統(tǒng)從未被廣泛實(shí)施。
  儲(chǔ)能電池新技術(shù)將滿足取代充電機(jī)充電鋰離子電池的需求
  但是Sadoway和他的團(tuán)隊(duì)采取了不同的方法,意識(shí)到這種薄膜的功能可以通過(guò)特殊涂層的金屬網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn),這是一種更強(qiáng)大、更靈活的材料,可以經(jīng)得起工業(yè)級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的嚴(yán)苛的應(yīng)用。“我認(rèn)為這是一個(gè)技術(shù)突破?!盨adoway說(shuō),”這是五十年來(lái)第一次研發(fā)出這種類型的電池,其優(yōu)勢(shì)包括價(jià)格低廉、原材料豐富、非常安全的操作特性,以及經(jīng)歷多次充放電循環(huán)的能力而沒有退化,最終可能變得一種實(shí)用的技術(shù)?!?br />   
  “雖然一些企業(yè)繼續(xù)生產(chǎn)用于特殊用途的液體鈉電池,但由于陶瓷薄膜的脆弱性,其成本很高,沒有人能真正大規(guī)模實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。”Sadoway說(shuō)。這其中包括通用電氣公司,它在放棄該項(xiàng)目之前花費(fèi)將近10年的時(shí)間研究這項(xiàng)技術(shù)。
  
  由于Sadoway和他的團(tuán)隊(duì)探索了熔融金屬電池中不同組件的各種選擇,他們對(duì)使用鉛化合物的測(cè)試結(jié)果感到驚訝。他說(shuō),“我們?cè)跍y(cè)試室內(nèi)剖開了電池并發(fā)現(xiàn)了液滴,這是熔鉛液滴?!钡钦缪芯繄F(tuán)隊(duì)預(yù)期的那樣,其化合物材料不是像薄膜一樣充當(dāng)電極,而是積極參與電池的電化學(xué)反應(yīng)(圖1)。
  
  “這真的讓我們看到了一種完全不同的技術(shù)。”Sadoway表示,這種薄膜發(fā)揮其作用,選擇性地允許某些分子通過(guò),而同時(shí)阻擋其他分子通過(guò),采用的是完全不同的方式,使用其電性質(zhì)而不是基于材料中孔的尺寸的典型機(jī)械分選。
  
  最后經(jīng)過(guò)對(duì)各種化合物的試驗(yàn),研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),涂有氮化鈦溶液的普通鋼網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)以前使用的陶瓷膜的所有功能,并且沒有脆性。其結(jié)果可以采用廉價(jià)和耐用材料生產(chǎn)大型可充電電池。
  
  Sadoway說(shuō),新型薄膜的使用可以應(yīng)用于各種熔融電極電池化學(xué)品,并為電池設(shè)計(jì)開辟了新的途徑?!拔覀兛梢灾圃煲环N鈉硫型電池或鈉/氯化鎳電池,而不需要使用脆弱的陶瓷,這將改變一切。”他解釋道。
  
  Sadoway說(shuō),這項(xiàng)工作可以使儲(chǔ)能電池的容量做的足夠大,可以制造出適用于電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能的間歇性可再生電源,同樣的技術(shù)也可以用于其他應(yīng)用,例如某些金屬生產(chǎn)。
  
  Sadoway警告說(shuō),這種電池并不適合某些主要用途,例如汽車電池或手機(jī)電池。其優(yōu)勢(shì)在于大型固定儲(chǔ)能安裝,其中成本是最重要的,而尺寸和重量次之,例如公用事業(yè)規(guī)模的負(fù)載均衡。在這些應(yīng)用中,成本更低的電池技術(shù)可能使更多的間歇性可再生能源取代化石能源。
  
  研究小組成員包括武漢理工大學(xué)訪問學(xué)者FeiChen,日本原子能機(jī)構(gòu)的訪問科學(xué)家Nobuyuki Tanaka、麻省理工學(xué)院的研究科學(xué)家Takanari Ouchi和postdocs Huayi Yin、Brice Chung和Ji Zhao。這項(xiàng)工作得到法國(guó)道達(dá)爾公司的支持。
  
  麻省理工學(xué)院的Donald Sadoway博士和他的同事們花費(fèi)多年時(shí)間研究液態(tài)金屬電池。其研究得到了美國(guó)能源部的ARPA-E計(jì)劃、法國(guó)道達(dá)爾公司、德斯潘德中心,以及切索尼斯家庭基金會(huì)的支持。此外,Bradwell在完成碩士學(xué)位和博士學(xué)位學(xué)習(xí)期間,在推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。
  
  在新電池開發(fā)之前,Sadoway和David Bradwell共同創(chuàng)立了一家新公司Ambri,其目標(biāo)是將他們?cè)?010年開發(fā)的液流電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。Bradwell是該公司主管商業(yè)化的高級(jí)副總裁兼首席技術(shù)官。
  儲(chǔ)能電池新技術(shù)將滿足取代充電機(jī)充電鋰離子電池的需求
  Ambri公司生產(chǎn)的電池具有所有三種活性組件,當(dāng)電池運(yùn)行時(shí)它們是液體,從而延長(zhǎng)了使用壽命。并且制造成本相對(duì)較低。Ambri的電池單體由鹽(電解質(zhì))組成,它分隔兩個(gè)不同的金屬層(電極)。這種電解質(zhì)在溫度升高熔化時(shí),這三層由于其不同的密度和不混溶水平而自分離,并且彼此浮在另一層上。
  
  這種全液體的電池設(shè)計(jì)避免了其他電池技術(shù)中固體元件所經(jīng)歷的主要故障機(jī)制,這使其系統(tǒng)工作壽命超過(guò)15年,不會(huì)降低性能。為了更好地了解電池單體的長(zhǎng)壽命和性能,Ambri公司對(duì)超過(guò)2500個(gè)單體進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,其累計(jì)測(cè)試時(shí)間為600,000小時(shí)和100,000次循環(huán)。
  
  當(dāng)液態(tài)金屬電池在工作溫度范圍內(nèi)時(shí),頂部金屬層和底部金屬層之間存在電勢(shì)能,這產(chǎn)生電池電壓。為了使電池放電,電池電壓從其鎂(Mg)電極驅(qū)動(dòng)電子,向外部負(fù)載提供電力,并且電子返回到銻(Sb)電極。在內(nèi)部,這導(dǎo)致Mg離子與Sb一起合成為鹽和合金,形成Mg-Sb合金。為了再充電,來(lái)自外部電源的電力沿相反方向推動(dòng)電子,從Mg-Sb合金中拉出Mg,并將Mg重新沉積到頂層上,使系統(tǒng)返回到三個(gè)不同的液體層。
  
  Ambri電池系統(tǒng)的基本單元是全密封液態(tài)金屬電池(圖2)。該公司的電池在隔熱罩內(nèi)串聯(lián)在一起形成Ambri核心。每隔幾天操作一次,實(shí)現(xiàn)絕緣和“自加熱”,無(wú)需外部加熱即可使電池保持工作溫度。Ambri電池系統(tǒng)包括多個(gè)Ambri核心,這些核心串聯(lián)在一起并通過(guò)電力電子設(shè)備連接到電網(wǎng)。Ambri電池系統(tǒng)的配置是模塊化的,可以定制以滿足特定的客戶需求。
  
  液流電池
  
  ViZn Energy公司是另一家生產(chǎn)液流電池的公司。核心技術(shù)、電力化學(xué)技術(shù)和堅(jiān)固包裝是該公司8年來(lái)致力于研發(fā)電池儲(chǔ)能技術(shù)的結(jié)果。它能夠同時(shí)提供高功率和長(zhǎng)時(shí)間的能源服務(wù)。ViZn電池(圖3)通過(guò)使用混合液流電池實(shí)現(xiàn)這種獨(dú)特的性能混合,其中堿性電化學(xué)組分溶解在電解液中。
 儲(chǔ)能電池新技術(shù)將滿足取代充電機(jī)充電鋰離子電池的需求 
 圖3.ViZn液流電池的容器
  
  這種液流電池是一種可充電電池,其中電池組循環(huán)溶解在系統(tǒng)內(nèi)包含兩種化學(xué)組分的液體電解質(zhì)中。兩種電解質(zhì)通過(guò)堆疊中的膜分離,并且穿過(guò)該膜的離子交換產(chǎn)生電流,同時(shí)兩種液體在它們各自的空間中循環(huán)。而液流電池的最大功率(以千瓦為單位)由電源單元中的電池組數(shù)量決定,而電壓隨著堆疊而增加。任何液流電池的容量(以千瓦時(shí)為單位)可以通過(guò)容器的容積來(lái)確定。體積更大的容器表明其持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。
  
  ViZn液流電池采用安全的化學(xué)物質(zhì),具有無(wú)毒、不易燃、不易爆炸的特點(diǎn)。ViZn電池系統(tǒng)中使用的電解質(zhì)是食品級(jí)的,并且供應(yīng)充足。
  
  儲(chǔ)能是現(xiàn)代電網(wǎng)的支持技術(shù)。這些新型電池可以承受極端高溫環(huán)境,并在完全充電狀態(tài)下提供強(qiáng)烈的工作循環(huán),在技術(shù)成熟,并大規(guī)模生產(chǎn)之后,將有可能替代充電機(jī)充電鋰離子電池。