因?yàn)檫@些儲(chǔ)能技術(shù) 鋰電池的江山要坐不穩(wěn)了

　　如果鋰電池能擬人的話，它一定在想：“朕的江山……不穩(wěn)了……”。

　　可不是么，隔三差五就會(huì)有各種實(shí)驗(yàn)室稱自己研發(fā)出了新的電池技術(shù)，一個(gè)比一個(gè)成本低、有的更加環(huán)保、有的更安全、有的壽命更長(zhǎng)……鋰電池的時(shí)代將要落幕了？

　　今天，我們看看哪些電池技術(shù)正在一步步替代鋰電池成為主流。

　　原材料無(wú)處不在的鈉離子電池

　　鋰電池什么都好，就是太貴了。

　　鋰電池的電極材料鋰（Li）比較稀有，開采和精煉成本很高。那么有沒有可能，在常見的材料里可以找出替代鋰元素的電極材料呢？

　　鹽（NaCl），聽起來不錯(cuò)。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于上個(gè)世紀(jì)80年代，與鋰離子電池幾乎同時(shí)起步，鈉離子電池的工作原理與鋰離子相似，充電時(shí)，Na+從正極材料中脫出，經(jīng)過電解液嵌入負(fù)極材料，同時(shí)電子通過外電路轉(zhuǎn)移到負(fù)極，保持電荷平衡；放電時(shí)則相反。

　　一直以來，人們認(rèn)為鈉離子電池雖然有成本的優(yōu)勢(shì)，但能量密度不及鋰電池，只能在對(duì)于能量密度要求不高的領(lǐng)域，比如電網(wǎng)儲(chǔ)能、調(diào)峰，風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能等方面應(yīng)用，然而，近日斯坦福大學(xué)的研究人員們研制的鈉離子電池突破了這一認(rèn)知。

　　他們研制的鈉離子電池，能夠以80%不到的成本，存儲(chǔ)與鋰離子電池相當(dāng)?shù)哪芰浚?/p>

　　這款電池采用了鈉鹽電極的設(shè)計(jì)，充上正電荷的鈉離子會(huì)游向充負(fù)電荷的磷正極——這兩種元素在自然界中的儲(chǔ)量都很豐富。最終，他們的鈉離子電池實(shí)現(xiàn)了高達(dá)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(jù)稱超過了87%，至于最重要的成本方面，研究人員聲稱可以80%不到的投入，實(shí)現(xiàn)與鋰離子電池相當(dāng)?shù)膬?chǔ)電量。

　　下一步，團(tuán)隊(duì)將在磷陽(yáng)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(tuán)隊(duì)也希望進(jìn)一步提升鈉離子電池的體積能量密度。這項(xiàng)研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《自然能源》（NatureEnergy）期刊上。

　　實(shí)際上已經(jīng)有不少企業(yè)在發(fā)力鈉離子電池，比如豐田。

　　新聞報(bào)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(chǎn)生的電壓高出鋰離子電池30%。這項(xiàng)電池技術(shù)可有效提升電動(dòng)車的續(xù)航里程，最大可達(dá)到驚人的1000公里，而且價(jià)位更低。據(jù)悉，豐田正加快推進(jìn)研究，預(yù)計(jì)2020年前后可投入實(shí)際應(yīng)用。該電池一旦商業(yè)化，價(jià)格會(huì)比傳統(tǒng)鋰電池更低。

　　成本只有鋰離子電池1/5的液流電池

　　有這么一款電池，放電的時(shí)候，會(huì)吸入來自外界的空氣，而在充電的時(shí)候，它又可以排出空氣，很像人類的呼吸。

　　根據(jù)cnBeta.COM的報(bào)道，麻省理工學(xué)院的研究人員們，已經(jīng)開發(fā)出了一款可以“呼吸空氣”、長(zhǎng)期貯存能量的液流電池，且在同等能量密度下，其造價(jià)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(diǎn)，是采用了液體的“陰極電解液”’和“陽(yáng)極液”作為電池的兩極，通過離子的來回運(yùn)動(dòng)來儲(chǔ)存或釋放能量。

　　其中，溶解在水中的硫作為陽(yáng)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(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能的電網(wǎng)系統(tǒng)來說，成本的削減，才是讓可再生能源普及和長(zhǎng)期運(yùn)行的關(guān)鍵。

　　報(bào)道稱，這款電池如今只有咖啡杯那么大，如果設(shè)計(jì)應(yīng)用到大規(guī)模的系統(tǒng)中，預(yù)計(jì)每千瓦時(shí)的儲(chǔ)能成本可控制在20~30美元之間（其它儲(chǔ)能系統(tǒng)的每千瓦時(shí)儲(chǔ)能成本可能高達(dá)100美元）。下一步研究計(jì)劃將是提升電池的效率和工作壽命。

　　但其實(shí)，液流電池已經(jīng)不是一項(xiàng)新的技術(shù)了，早在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)出現(xiàn)。

　　以更多人知曉的全釩液流電池舉個(gè)例子，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)UniEnergyTechnologies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。

　　同鋰電池相比，液流電池規(guī)?？纱罂尚。O(shè)計(jì)靈活、具有可擴(kuò)展性，從下圖看出，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。而鋰電池卻是固定的大小，規(guī)模難以擴(kuò)大。

液流電池結(jié)構(gòu)圖

　　另外，相對(duì)于鋰電池，液流電池的壽命較長(zhǎng)、安全性極高，沒有起火或爆炸隱患，即使遭遇大電流也不會(huì)有什么安全問題。

　　然而，液流電池的密度極地，加之此類電池呈液態(tài)，因而占地面積大成為其局限性。這么一看，前文所說的咖啡杯大小的新款液流電池，是不是會(huì)成為革命性的發(fā)明呢？

　　使用壽命更長(zhǎng)充電更快的鋁電池

　　其實(shí)鋁電池也是一直被人們看好的一項(xiàng)電池技術(shù)，因?yàn)槠淠芰棵芏鹊臐摿艽蟆５堑侥壳盀橹?，鋁電池還只是被當(dāng)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(chǔ)存了可行駛3000公里的足夠電量。鋁電池只在鋰電池電量耗盡后才啟動(dòng)，因此可以用很長(zhǎng)時(shí)間，期間只需每月加注清水。通常在一年左右達(dá)到使用極限后，到服務(wù)站更換充滿電的鋁電池即可。有點(diǎn)像一次性電池。

　　為什么鋁電池不做充電電池？

　　一方面是循環(huán)壽命差，一方面是充電速度太慢，不實(shí)用。還有一個(gè)致命缺點(diǎn)是電解液里面的鋁離子不穩(wěn)定，很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)帶來危險(xiǎn)。這些原因使得鋁電池一直未大規(guī)模投入使用。

　　但別灰心,《自然》雜志發(fā)布過一篇關(guān)于鋁離子電池的研究，稱“已經(jīng)看到了新電池的雛形”:

　　這款鋁離子電池包含兩個(gè)電極，一個(gè)由鋁制成的帶負(fù)電陽(yáng)極和一個(gè)帶正電石墨陰極，電解質(zhì)其實(shí)就是室溫下的液態(tài)鹽，最后研究出的可充電鋁電池可以產(chǎn)生2伏電壓。這比任何鋁電池可以產(chǎn)生的電壓都要高，盡管只有典型鋰電池的一半。

　　研究人員稱，如果改進(jìn)陰極材料應(yīng)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(shù)：不昂貴的電極、安全、高速充電、靈活和較長(zhǎng)壽命。

　　看來，從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)仍舊是一個(gè)很長(zhǎng)的過程。理想的電池雛形已經(jīng)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(biāo)追平鋰離子電池，替代的一天或?qū)⒌絹?。（【無(wú)所不能文丨蕓豆】）