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        液流電池取代充電鋰電池?距離商用還隔著一個石墨烯

        日前,美國哈佛大學的研究團隊研發出了一種新型的液流電池。該團隊表示,這種液流電池不僅可用于智能手機領域,還可被用于包括可再生能源在內的新型能源應用領域。


        在移動時代,電池技術成為重中之重,甚至可以說沒有電池就沒有移動時代。然而,續航能力薄弱等問題存在于移動設備的電池中,電池技術的突破一直是頂端難題,從而制約了移動時代的進一步發展。所以研究人員一直在探索更加有效的發電能源,以期提升續航能力。


        實際上,液流電池并非新技術,早在上世紀60年代就已經出現。和鋰離子電池相比,液流電池確實有一些優勢。然而,這項技術一直處于研發階段,遲遲未能投入實際應用,其原因就在于自身的局限性。盡管遇到阻礙,但是探索仍要繼續,人類一邊使用相對穩妥的新型電池技術,一邊也在不斷尋找更加清潔的能源來提升電池技術。


        液流電池特性決定優勢,某些方面優于鋰離子電池


        哈佛大學的團隊是由材料和能源科技教授MichaelAziz及化學和材料科學教授RoyGordon所領導的。他們所研究的新型液流電池基于一種中性pH水溶液中的有機分子進行發電,其安全性和壽命皆優于目前的電池產品。


        其實,液流電池領域并不算"荒地",上世紀60年代,鐵-鉻體系的氧化還原電池就已經出現,可看作是全釩液流電池的前身。經過多年的研發,該技術已經取得了長足的進步,并有望投入商用。和鋰離子電池相比,這種液流電池確實存在優勢。


        第一,其規?纱罂尚,設計靈活。


        關于儲能系統來說,最重要的因素是電量和功率。通常情況下,釩液流電池可承受的功率取決于電堆大小,而電量的多少則和儲能罐的大小成正比。無論工程項目對儲能系統提出怎么樣的要求,設計者都可以靈活地做出相應的設計并且能夠隨時進行調整。


        液流電池示意圖


        反觀鋰離子電池,則是將儲能材料涂在集流體表面形成電極,其工藝及性能都是固定的,很難根據具體項目進行調整。兩相比較之下,液流電池的優勢顯而易見。


        更重要的是,液流電池具有可擴展性。液流電池不管存儲量如何,結構和控制方法幾乎都相同,只要將儲能電解液混合均勻,就可以保證SOC(充放電深度)一致。


        如想制造同樣規模的鋰離子電池,則要堆疊電池數量,同時運用極為復雜的BMS(電池管理系統)來管理每節電池的溫度及SOC。稍有不慎,過充、過放、過熱都會導致電池報廢甚至引發危險,這也是為何智能手機電池有時會發生爆炸的重要原因。


        第二,液流電池壽命長。


        目前市面上的鋰離子電池壽命約為1000~5000次。其重要儲能原理是在固態電極上的嵌入和脫嵌,此種方式極易出現裂紋從而使電池壽命終結。


        液流電池的充放電機理則是基于化合價的變化,而非普通電池的物理變化,故而使用壽命極長。而且全釩液流電池由于正負極之間隔著離子交換膜,防止了正負電解液因混合而發生交叉感染的可能,相較于其他液流電池壽命更長。


        第三,液流電池安全性極高。


        正如第一點中所提到的,液流電池的特性使其安全性能得以保障。無起火或爆炸隱患,即使遭遇大電流也不會有什么安全問題。


        此外,液流電池能量效率高達75%~80%,啟動速度只需0.02s,且電池部件多為廉價的碳材料,無需貴金屬作催化劑。


        目前,全球范圍內生產全釩液流電池的公司重要包括美國UniEnergyTechnologies公司、奧地利Gildemeister公司、日本住友電工公司以及我國大連融科儲能技術發展有限公司。


        其中,融科儲能公司累計實現全釩液流電池裝機容量超過12MW,占世界總裝機量的40%,而且還擁有世界上第一套實際并網運行的5MW級大型工業儲能裝置。這意味著我國各項指標都處于國際領先水平。


        盡管液流電池有如此多的優勢,且有一定規模的生產和應用,但目前并未看到其大規模的投入商用和進入消費級市場,原因在于液流電池自身存在的局限性頗多。


        液流電池遲遲未能商用,自身局限性較多


        作為儲能系統,液流電池在風電等大型儲能領域尚處試驗階段,商用就更是難以企及。上文哈佛大學研究的新型液流電池亦處于研發階段,可以先探究目前已有的液流電池中重要的釩系電池存在怎么樣的局限性。


        從理論上來講,釩的化合物可以作為添加劑,放入現有的鋰離子電池中,這就類似于石墨烯的用途。然而,釩電池正極液中五價釩離子在溫度高于45度的情況下,會析出一種名為五氧化二釩的劇毒物質。該物質的沉淀會堵塞流道,包覆碳氈纖維,惡化電堆性能,最終致使電池報廢。更重要的是,五氧化二釩這種劇毒物質可能會造成嚴重的后果。


        此外,全釩液流電池需投入極高成本。比如一個5千瓦的液流電池,共計需投入40.6萬的主材料成本,還要額外投入次要材料及人力成本。


        最后,液流電池能量密度極低,大概只有40Wh/kg,加之此類電池呈液態,因而占地面積大。


        基于以上局限性,液流電池很難大規模應用,更難實現商業化。對液流電池的探索代表了人類不斷尋找新能源的決心,只是目前這種技術還不夠成熟。相比之下,石墨烯電池技術比較穩妥,已在智能設備中有所應用,而人類也在不斷尋找更加清潔的能源用于發電。


        穩妥的電池技術得以商用,未來存在更多可能


        在當今的新興電池技術中,石墨烯電池技術算是比較穩妥的。去年年底,華為在第57屆日本電池大會上推出了首個應用了石墨烯技術的鋰離子電池。這種電池借助了新型的耐高溫技術,可將鋰離子電池的上限溫度提高10度,其使用壽命也達到了普通鋰離子電池的2倍。


        相比于尚處研發中的新型液流電池,石墨烯似乎更靠譜一些。當然,石墨烯本身也存在著一些局限性,但畢竟已經在智能設備中得以應用。因此就目前的情況來看,石墨烯會在下一階段更多地被應用于提升電池技術之中。在電池技術發展的道路上,一蹴而就是行不通的,而通過穩妥的、成熟的技術逐漸進行過渡,應該會取得更好的效果。


        當然,這并不是說電池技術領域可以為求穩妥而停滯不前。相反,為了使電池技術不再成為移動時代發展的阻力,應該更大膽地去利用一切可能利用的能源為電池技術的進步供應動力,F在已經有相關的研究,并且也取得了進展。


        比如日前美國賓夕法尼亞大學的科研團隊研制出了新的發電方法,利用化石燃料發電廠排放的二氧化碳和空氣中的二氧化碳形成的濃度差發電。這種名為"流動單元"的裝置出現的平均功率密度為0.82瓦/平方米,高于以前近似方法獲得值的200倍左右。該研究成果已發表在最新一期的《環境科學和技術》雜志上。


        無獨有偶,芬蘭科學家也在研究如何利用動能、熱能及太陽能為設備供電方面取得了一些進展。研究人員研發了一種名為KBNNO的鐵電材料,將熱量及壓力轉化為電力。芬蘭UniversityofOulu(盧奧大學)的研究人員則利用鈣鈦礦晶體結構從多個能量源中提取能量,并希望能夠通過研究收集到更多的能量。


        這種設備的制造過程并不復雜,一旦找到了最佳材料,在之后的幾年就有可能將這一技術投入商用。假如這種設想得以實現,我們可能不必再將移動設備插入插座上充電,而是從自然能量中獲得源源不斷的電力,實現真正的能源清潔。


        通過以上成果可以作樂觀的預測,未來在電池領域將會出現更多的新技術,它們可以提升電池的利用率、續航能力等要素。在電池技術乃至任何一種技術的發展道路上,既要穩妥成熟的前行,也要大膽前衛的創新,二者結合才可能更好地推動移動時代的進一步發展。


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