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储能电池新技术将满足取代锂离子电池的需求
  • 如今,锂离子电池已经成为公用事业公司主要采用的固定式储能电池。然而,麻省理工学院研究人员研发生产的创新型熔融电极电池可能会替代它。

    如今,锂离子电池已经成为公用事业公司主要采用的固定式储能电池。然而,麻省理工学院研究人员研发生产的创新型熔融电极电池可能会替代它。
      
      虽然采用了越来越多的可再生能源,但人们却无法控制太阳照射或风吹的时间,这使得在风能和太阳能资源不足时很难为电网持续提供电力。而为了维持电力供应,满足对电力的持续需求,需要一些存储可再生能源或传统电厂生产的电能。公用事业公司采用的固定式储能产品主要有两种:锂离子电池和几种电化学电池。
      
      根据调研机构Navigant Research公司的调查,过去几年来,锂离子电池已成为固定储能项目中应用最广泛的技术。其中一个原因是由于电动汽车行业的生产能力和销量增加,大量的需求导致锂离子电池组成本急剧下降。通常,选择锂离子电池是因为其结合了低成本和信誉良好的供应商的优势。但Navigant Research公司指出,“尽管它们很受欢迎,但锂离子电池并不适合某些固定存储应用。”
      
      开发电池储能新技术
      
      而麻省理工学院日前开发的一种新型金属网膜技术可以解决一些存在的问题,并可以实现成本更低的储能。
      
      非锂离子电池技术供应商希望利用新型电能进入快速发展的储能行业。例如,麻省理工学院的研究人员开发出一种新的熔融电极储能电池。该电池基于由液态金属制成的电极,并配有可用于电网规模安装的新型金属网膜。网膜中包含的液态金属采用钠或其他金属。其电池电极另一端采用的液态金属是铅、锡或锌等金属。这与依赖固体镍和固体氯化镍的钠氯化镍电池有很大不同,其熔盐由电极中的金属氯化物组成。
      
      麻省理工学院的研究团队由Donald Sadoway教授、材料化学教授JohnF.Elliott、Postdocs Huayi Yin和Brice Chung以及其他四人组成的,该团队开发的电池基于液体钠电极材料,这种技术在1968年首次推出,但却从未作为一种实用方法实施,这是由于具有一个显著的缺点,:它需要使用薄膜来分离其熔融物组件,而制造这种薄膜所需的唯一材料是脆弱且易碎的陶瓷。这种薄膜使得电池在实际操作条件下容易损坏,因此除了一些特殊的工业应用之外,该系统从未被广泛实施。
      
      但是Sadoway和他的团队采取了不同的方法,意识到这种薄膜的功能可以通过特殊涂层的金属网来实现,这是一种更强大、更灵活的材料,可以经得起工业级储能系统的严苛的应用。“我认为这是一个技术突破。”Sadoway说,”这是五十年来第一次研发出这种类型的电池,其优势包括价格低廉、原材料丰富、非常安全的操作特性,以及经历多次充放电循环的能力而没有退化,最终可能变得一种实用的技术。”
      
      “虽然一些企业继续生产用于特殊用途的液体钠电池,但由于陶瓷薄膜的脆弱性,其成本很高,没有人能真正大规模实现这一过程。”Sadoway说。这其中包括通用电气公司,它在放弃该项目之前花费将近10年的时间研究这项技术。
      
      由于Sadoway和他的团队探索了熔融金属电池中不同组件的各种选择,他们对使用铅化合物的测试结果感到惊讶。他说,“我们在测试室内剖开了电池并发现了液滴,这是熔铅液滴。”但是正如研究团队预期的那样,其化合物材料不是像薄膜一样充当电极,而是积极参与电池的电化学反应(图1)。
      
      “这真的让我们看到了一种完全不同的技术。”Sadoway表示,这种薄膜发挥其作用,选择性地允许某些分子通过,而同时阻挡其他分子通过,采用的是完全不同的方式,使用其电性质而不是基于材料中孔的尺寸的典型机械分选。
      
      最后经过对各种化合物的试验,研究团队发现,涂有氮化钛溶液的普通钢网可以实现以前使用的陶瓷膜的所有功能,并且没有脆性。其结果可以采用廉价和耐用材料生产大型可充电电池。
      
      Sadoway说,新型薄膜的使用可以应用于各种熔融电极电池化学品,并为电池设计开辟了新的途径。“我们可以制造一种钠硫型电池或钠/氯化镍电池,而不需要使用脆弱的陶瓷,这将改变一切。”他解释道。
      
      Sadoway说,这项工作可以使储能电池的容量做的足够大,可以制造出适用于电网规模储能的间歇性可再生电源,同样的技术也可以用于其他应用,例如某些金属生产。
      
      Sadoway警告说,这种电池并不适合某些主要用途,例如汽车电池或手机电池。其优势在于大型固定储能安装,其中成本是最重要的,而尺寸和重量次之,例如公用事业规模的负载均衡。在这些应用中,成本更低的电池技术可能使更多的间歇性可再生能源取代化石能源。
      
      研究小组成员包括武汉理工大学访问学者FeiChen,日本原子能机构的访问科学家Nobuyuki Tanaka、麻省理工学院的研究科学家Takanari Ouchi和postdocs Huayi Yin、Brice Chung和Ji Zhao。这项工作得到法国道达尔公司的支持。
      
      麻省理工学院的Donald Sadoway博士和他的同事们花费多年时间研究液态金属电池。其研究得到了美国能源部的ARPA-E计划、法国道达尔公司、德斯潘德中心,以及切索尼斯家庭基金会的支持。此外,Bradwell在完成硕士学位和博士学位学习期间,在推动这项技术发展方面发挥了重要作用。
      
      在新电池开发之前,Sadoway和David Bradwell共同创立了一家新公司Ambri,其目标是将他们在2010年开发的液流电池技术实现商业化。Bradwell是该公司主管商业化的高级副总裁兼首席技术官。
      
      Ambri公司生产的电池具有所有三种活性组件,当电池运行时它们是液体,从而延长了使用寿命。并且制造成本相对较低。Ambri的电池单体由盐(电解质)组成,它分隔两个不同的金属层(电极)。这种电解质在温度升高熔化时,这三层由于其不同的密度和不混溶水平而自分离,并且彼此浮在另一层上。
      
                 图2.Ambri电池的构成
      
      这种全液体的电池设计避免了其他电池技术中固体元件所经历的主要故障机制,这使其系统工作寿命超过15年,不会降低性能。为了更好地了解电池单体的长寿命和性能,Ambri公司对超过2500个单体进行了大量的实验室测试,其累计测试时间为600,000小时和100,000次循环。
      
      当液态金属电池在工作温度范围内时,顶部金属层和底部金属层之间存在电势能,这产生电池电压。为了使电池放电,电池电压从其镁(Mg)电极驱动电子,向外部负载提供电力,并且电子返回到锑(Sb)电极。在内部,这导致Mg离子与Sb一起合成为盐和合金,形成Mg-Sb合金。为了再充电,来自外部电源的电力沿相反方向推动电子,从Mg-Sb合金中拉出Mg,并将Mg重新沉积到顶层上,使系统返回到三个不同的液体层。
      
      Ambri电池系统的基本单元是全密封液态金属电池(图2)。该公司的电池在隔热罩内串联在一起形成Ambri核心。每隔几天操作一次,实现绝缘和“自加热”,无需外部加热即可使电池保持工作温度。Ambri电池系统包括多个Ambri核心,这些核心串联在一起并通过电力电子设备连接到电网。Ambri电池系统的配置是模块化的,可以定制以满足特定的客户需求。
      
      液流电池
      
      ViZn Energy公司是另一家生产液流电池的公司。核心技术、电力化学技术和坚固包装是该公司8年来致力于研发电池储能技术的结果。它能够同时提供高功率和长时间的能源服务。ViZn电池(图3)通过使用混合液流电池实现这种独特的性能混合,其中碱性电化学组分溶解在电解液中。
      
                          图3.ViZn液流电池的容器
      
      这种液流电池是一种可充电电池,其中电池组循环溶解在系统内包含两种化学组分的液体电解质中。两种电解质通过堆叠中的膜分离,并且穿过该膜的离子交换产生电流,同时两种液体在它们各自的空间中循环。而液流电池的最大功率(以千瓦为单位)由电源单元中的电池组数量决定,而电压随着堆叠而增加。任何液流电池的容量(以千瓦时为单位)可以通过容器的容积来确定。体积更大的容器表明其持续时间更长。
      
      ViZn液流电池采用安全的化学物质,具有无毒、不易燃、不易爆炸的特点。ViZn电池系统中使用的电解质是食品级的,并且供应充足。
      
      储能是现代电网的支持技术。这些新型电池可以承受极端高温环境,并在完全充电状态下提供强烈的工作循环,在技术成熟,并大规模生产之后,将有可能替代锂离子电池。
      
      编译:Harris