儲能電池新技術(shù)將滿足取代充電機充電鋰離子電池的需求
2018-8-14 12:44:56??????點擊：
充電機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替代它。
雖然采用了越來越多的可再生能源，但人們卻無法控制太陽照射或風(fēng)吹的時間，這使得在風(fēng)能和太陽能資源不足時很難為電網(wǎng)持續(xù)提供電力。而為了維持電力供應(yīng)，滿足對電力的持續(xù)需求，需要一些存儲可再生能源或傳統(tǒng)電廠生產(chǎn)的電能。公用事業(yè)公司采用的固定式儲能產(chǎn)品主要有兩種：充電機充電鋰離子電池和幾種電化學(xué)電池。
根據(jù)調(diào)研機構(gòu)Navigant Research公司的調(diào)查，過去幾年來，充電機充電鋰離子電池已成為固定儲能項目中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。其中一個原因是由于電動汽車行業(yè)的生產(chǎn)能力和銷量增加，大量的需求導(dǎo)致充電機充電鋰離子電池組成本急劇下降。通常，選擇充電機充電鋰離子電池是因為其結(jié)合了低成本和信譽良好的供應(yīng)商的優(yōu)勢。但Navigant Research公司指出，“盡管它們很受歡迎，但充電機充電鋰離子電池并不適合某些固定存儲應(yīng)用。”
開發(fā)電池儲能新技術(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，并可以實現(xiàn)成本更低的儲能。
非充電機充電鋰離子電池技術(shù)供應(yīng)商希望利用新型電能進入快速發(fā)展的儲能行業(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)院的研究團隊由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，該團隊開發(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用方法實施，這是由于具有一個顯著的缺點，：它需要使用薄膜來分離其熔融物組件，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)從未被廣泛實施。
但是Sadoway和他的團隊采取了不同的方法，意識到這種薄膜的功能可以通過特殊涂層的金屬網(wǎng)來實現(xiàn)，這是一種更強大、更靈活的材料，可以經(jīng)得起工業(yè)級儲能系統(tǒng)的嚴苛的應(yīng)用。“我認為這是一個技術(shù)突破。”Sadoway說，”這是五十年來第一次研發(fā)出這種類型的電池，其優(yōu)勢包括價格低廉、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用的技術(shù)。”
“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)模實現(xiàn)這一過程。”Sadoway說。這其中包括通用電氣公司，它在放棄該項目之前花費將近10年的時間研究這項技術(shù)。
由于Sadoway和他的團隊探索了熔融金屬電池中不同組件的各種選擇，他們對使用鉛化合物的測試結(jié)果感到驚訝。他說，“我們在測試室內(nèi)剖開了電池并發(fā)現(xiàn)了液滴，這是熔鉛液滴。”但是正如研究團隊預(yù)期的那樣，其化合物材料不是像薄膜一樣充當電極，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，而同時阻擋其他分子通過，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械分選。
最后經(jīng)過對各種化合物的試驗，研究團隊發(fā)現(xiàn)，涂有氮化鈦溶液的普通鋼網(wǎng)可以實現(xiàn)以前使用的陶瓷膜的所有功能，并且沒有脆性。其結(jié)果可以采用廉價和耐用材料生產(chǎn)大型可充電電池。
Sadoway說，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)計開辟了新的途徑。“我們可以制造一種鈉硫型電池或鈉/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，這項工作可以使儲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，這種電池并不適合某些主要用途，例如汽車電池或手機電池。其優(yōu)勢在于大型固定儲能安裝，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。這項工作得到法國道達爾公司的支持。
麻省理工學(xué)院的Donald Sadoway博士和他的同事們花費多年時間研究液態(tài)金屬電池。其研究得到了美國能源部的ARPA-E計劃、法國道達爾公司、德斯潘德中心，以及切索尼斯家庭基金會的支持。此外，Bradwell在完成碩士學(xué)位和博士學(xué)位學(xué)習(xí)期間，在推動這項技術(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，其目標是將他們在2010年開發(fā)的液流電池技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)化。Bradwell是該公司主管商業(yè)化的高級副總裁兼首席技術(shù)官。
Ambri公司生產(chǎn)的電池具有所有三種活性組件，當電池運行時它們是液體，從而延長了使用壽命。并且制造成本相對較低。Ambri的電池單體由鹽（電解質(zhì)）組成，它分隔兩個不同的金屬層（電極）。這種電解質(zhì)在溫度升高熔化時，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)歷的主要故障機制，這使其系統(tǒng)工作壽命超過15年，不會降低性能。為了更好地了解電池單體的長壽命和性能，Ambri公司對超過2500個單體進行了大量的實驗室測試，其累計測試時間為600,000小時和100,000次循環(huán)。
當液態(tài)金屬電池在工作溫度范圍內(nèi)時，頂部金屬層和底部金屬層之間存在電勢能，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)動電子，向外部負載提供電力，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，來自外部電源的電力沿相反方向推動電子，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，實現(xiàn)絕緣和“自加熱”，無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Ambri核心，這些核心串聯(lián)在一起并通過電力電子設(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)和堅固包裝是該公司8年來致力于研發(fā)電池儲能技術(shù)的結(jié)果。它能夠同時提供高功率和長時間的能源服務(wù)。ViZn電池（圖3）通過使用混合液流電池實現(xiàn)這種獨特的性能混合，其中堿性電化學(xué)組分溶解在電解液中。
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)通過堆疊中的膜分離，并且穿過該膜的離子交換產(chǎn)生電流，同時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（以千瓦時為單位）可以通過容器的容積來確定。體積更大的容器表明其持續(xù)時間更長。
ViZn液流電池采用安全的化學(xué)物質(zhì)，具有無毒、不易燃、不易爆炸的特點。ViZn電池系統(tǒng)中使用的電解質(zhì)是食品級的，并且供應(yīng)充足。
儲能是現(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充電鋰離子電池。
雖然采用了越來越多的可再生能源，但人們卻無法控制太陽照射或風(fēng)吹的時間，這使得在風(fēng)能和太陽能資源不足時很難為電網(wǎng)持續(xù)提供電力。而為了維持電力供應(yīng)，滿足對電力的持續(xù)需求，需要一些存儲可再生能源或傳統(tǒng)電廠生產(chǎn)的電能。公用事業(yè)公司采用的固定式儲能產(chǎn)品主要有兩種：充電機充電鋰離子電池和幾種電化學(xué)電池。
根據(jù)調(diào)研機構(gòu)Navigant Research公司的調(diào)查，過去幾年來，充電機充電鋰離子電池已成為固定儲能項目中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。其中一個原因是由于電動汽車行業(yè)的生產(chǎn)能力和銷量增加，大量的需求導(dǎo)致充電機充電鋰離子電池組成本急劇下降。通常，選擇充電機充電鋰離子電池是因為其結(jié)合了低成本和信譽良好的供應(yīng)商的優(yōu)勢。但Navigant Research公司指出，“盡管它們很受歡迎，但充電機充電鋰離子電池并不適合某些固定存儲應(yīng)用。”
開發(fā)電池儲能新技術(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，并可以實現(xiàn)成本更低的儲能。
非充電機充電鋰離子電池技術(shù)供應(yīng)商希望利用新型電能進入快速發(fā)展的儲能行業(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)院的研究團隊由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，該團隊開發(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用方法實施，這是由于具有一個顯著的缺點，：它需要使用薄膜來分離其熔融物組件，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)從未被廣泛實施。
但是Sadoway和他的團隊采取了不同的方法，意識到這種薄膜的功能可以通過特殊涂層的金屬網(wǎng)來實現(xiàn)，這是一種更強大、更靈活的材料，可以經(jīng)得起工業(yè)級儲能系統(tǒng)的嚴苛的應(yīng)用。“我認為這是一個技術(shù)突破。”Sadoway說，”這是五十年來第一次研發(fā)出這種類型的電池，其優(yōu)勢包括價格低廉、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用的技術(shù)。”
“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)模實現(xiàn)這一過程。”Sadoway說。這其中包括通用電氣公司，它在放棄該項目之前花費將近10年的時間研究這項技術(shù)。
由于Sadoway和他的團隊探索了熔融金屬電池中不同組件的各種選擇，他們對使用鉛化合物的測試結(jié)果感到驚訝。他說，“我們在測試室內(nèi)剖開了電池并發(fā)現(xiàn)了液滴，這是熔鉛液滴。”但是正如研究團隊預(yù)期的那樣，其化合物材料不是像薄膜一樣充當電極，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，而同時阻擋其他分子通過，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械分選。
最后經(jīng)過對各種化合物的試驗，研究團隊發(fā)現(xiàn)，涂有氮化鈦溶液的普通鋼網(wǎng)可以實現(xiàn)以前使用的陶瓷膜的所有功能，并且沒有脆性。其結(jié)果可以采用廉價和耐用材料生產(chǎn)大型可充電電池。
Sadoway說，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)計開辟了新的途徑。“我們可以制造一種鈉硫型電池或鈉/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，這項工作可以使儲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，這種電池并不適合某些主要用途，例如汽車電池或手機電池。其優(yōu)勢在于大型固定儲能安裝，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。這項工作得到法國道達爾公司的支持。
麻省理工學(xué)院的Donald Sadoway博士和他的同事們花費多年時間研究液態(tài)金屬電池。其研究得到了美國能源部的ARPA-E計劃、法國道達爾公司、德斯潘德中心，以及切索尼斯家庭基金會的支持。此外，Bradwell在完成碩士學(xué)位和博士學(xué)位學(xué)習(xí)期間，在推動這項技術(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，其目標是將他們在2010年開發(fā)的液流電池技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)化。Bradwell是該公司主管商業(yè)化的高級副總裁兼首席技術(shù)官。
Ambri公司生產(chǎn)的電池具有所有三種活性組件，當電池運行時它們是液體，從而延長了使用壽命。并且制造成本相對較低。Ambri的電池單體由鹽（電解質(zhì)）組成，它分隔兩個不同的金屬層（電極）。這種電解質(zhì)在溫度升高熔化時，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)歷的主要故障機制，這使其系統(tǒng)工作壽命超過15年，不會降低性能。為了更好地了解電池單體的長壽命和性能，Ambri公司對超過2500個單體進行了大量的實驗室測試，其累計測試時間為600,000小時和100,000次循環(huán)。
當液態(tài)金屬電池在工作溫度范圍內(nèi)時，頂部金屬層和底部金屬層之間存在電勢能，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)動電子，向外部負載提供電力，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，來自外部電源的電力沿相反方向推動電子，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，實現(xiàn)絕緣和“自加熱”，無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Ambri核心，這些核心串聯(lián)在一起并通過電力電子設(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)和堅固包裝是該公司8年來致力于研發(fā)電池儲能技術(shù)的結(jié)果。它能夠同時提供高功率和長時間的能源服務(wù)。ViZn電池（圖3）通過使用混合液流電池實現(xiàn)這種獨特的性能混合，其中堿性電化學(xué)組分溶解在電解液中。
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)通過堆疊中的膜分離，并且穿過該膜的離子交換產(chǎn)生電流，同時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（以千瓦時為單位）可以通過容器的容積來確定。體積更大的容器表明其持續(xù)時間更長。
ViZn液流電池采用安全的化學(xué)物質(zhì)，具有無毒、不易燃、不易爆炸的特點。ViZn電池系統(tǒng)中使用的電解質(zhì)是食品級的，并且供應(yīng)充足。
儲能是現(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充電鋰離子電池。
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