新型電池層出不窮,這背后都有什么技術(shù)門道?
發(fā)布時(shí)間:2016-05-06 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】1800年,意大利科學(xué)家伏打(Volta)將不同的金屬與電解液接觸做成Volta堆,被認(rèn)為是人類歷史上第一套電源裝置。人類先后發(fā)明了鉛酸蓄電池、以NH4Cl為電解液的鋅—二氧化錳干電池、鎘-鎳電池、鐵-鎳蓄、堿性鋅錳電池和鋰離子電池等。隨著研究不斷深入,近年不斷出現(xiàn)新型電池。
電池是將化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)換為電能的一種裝作。具有穩(wěn)定電壓,穩(wěn)定電流,長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定供電,受外界影響很小,并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,攜帶方便,充放電操作簡(jiǎn)便易行,性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn),給現(xiàn)代社會(huì)生活帶來(lái)很多便利。
燃料電池
燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池,電就被奇妙地生產(chǎn)出來(lái)。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等,像一個(gè)蓄電池,但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè)“發(fā)電廠”。
氫-氧燃料電池反應(yīng)原理,是電解水的逆過(guò)程。
電極應(yīng)為:
負(fù)極:H2 +2OH-→2H2O+2e-
正極:1/2O2+ H2O 2e-→2OH-
電池反應(yīng):H2+ 1/2O2==H2O
燃料電池涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動(dòng)控制等學(xué)科的有關(guān)理論,只有燃料電池本體還不能工作,必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng),包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。
燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,沒(méi)有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過(guò)鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化,避免中間轉(zhuǎn)換的能量損失,因而能量轉(zhuǎn)換效率比較高。火力發(fā)電和核電的效率大約在30%~40%,而燃料電池電能轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到45%~60%。另外,燃料電池電站占地面積小,建設(shè)周期短,電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝,安裝地點(diǎn)靈活,十分方便。燃料電池?zé)o論作為集中電站還是分布式電站,或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨(dú)立電站都非常合適。負(fù)荷響應(yīng)快,運(yùn)行質(zhì)量高;燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率。
石墨烯電池
石墨烯電池,是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間能快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性,開(kāi)發(fā)出的一種新能源電池。
石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功從石墨中分離出石墨烯,證實(shí)它可以單獨(dú)存在,兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破,石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快,基于目前已有的研究成果,最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會(huì)是移動(dòng)設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。
應(yīng)用石墨烯材料制成的新型電池,尺寸和重量均將變小,而且能量?jī)?chǔ)存密度得到很大提高。更重要的是,它大大縮短了充電時(shí)間,方便了消費(fèi)者。美國(guó)俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性,開(kāi)發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數(shù)小時(shí)的充電時(shí)間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認(rèn)為,未來(lái)一分鐘快充石墨烯電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后,將帶來(lái)電池產(chǎn)業(yè)的變革,從而也促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革新。
新型石墨烯電池實(shí)驗(yàn)階段的成功,無(wú)疑將成為電池產(chǎn)業(yè)的一個(gè)新的發(fā)展點(diǎn)。電池技術(shù)是電動(dòng)汽車大力推廣和發(fā)展的最大門檻,而目前的電池產(chǎn)業(yè)正處于鉛酸電池和傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展均遇瓶頸的階段,石墨烯儲(chǔ)能設(shè)備的研制成功后,若能批量生產(chǎn),則將為電池產(chǎn)業(yè)乃至電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新的變革。
正是看到了石墨烯的應(yīng)用前景,許多國(guó)家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心,嘗試使用石墨烯商業(yè)化,進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用專利。歐盟委員會(huì)將石墨烯作為"未來(lái)新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目",設(shè)立專項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃,未來(lái)10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費(fèi)。英國(guó)政府也投資建立國(guó)家石墨烯研究所(NGI),力圖使這種材料在未來(lái)幾十年里可以從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入生產(chǎn)線和市場(chǎng)。
中國(guó)在石墨烯研究上也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),從生產(chǎn)角度看,作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨,在我國(guó)儲(chǔ)能豐富,價(jià)格低廉。另外,批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。利用化學(xué)氣相沉積法成功制造出了國(guó)內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯,并成功地將石墨烯透明電極應(yīng)用于電阻觸摸屏上,制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。
鈉硫電池
鈉硫電池,是一種以金屬鈉為負(fù)極、硫?yàn)檎龢O、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池。在一定的工作度下,鈉離子透過(guò)電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應(yīng),形成能量的釋放和儲(chǔ)存。
一般常規(guī)二次電池如鉛酸電池、鎘鎳電池等都是由固體電極和液體電解質(zhì)構(gòu)成,而鈉硫電池則與之相反,它是由熔融液態(tài)電極和固體電解質(zhì)組成的,構(gòu)成其負(fù)極的活性物質(zhì)是熔融金屬鈉,正極的活性物質(zhì)是硫和多硫化鈉熔鹽,由于硫是絕緣體,所以硫一般是填充在導(dǎo)電的多孔的炭或石墨氈里,固體電解質(zhì)兼隔膜的是一種專門傳導(dǎo)鈉離子被稱為Al2O3的陶瓷材料,外殼則一般用不銹鋼等金屬材料。
鈉硫電池能量密度和轉(zhuǎn)換效率高,是一種能夠同時(shí)適用于功率型儲(chǔ)能和能量型儲(chǔ)能的蓄電池,自2003年起,日本和美國(guó)相繼建設(shè)了多個(gè)兆瓦級(jí)的鈉硫電池儲(chǔ)能電站。不過(guò)鈉硫電池的制造比較困難,對(duì)電池材料、電池結(jié)構(gòu)要求高,因此制造成本較高。鈉硫電池在使用時(shí)對(duì)運(yùn)行條件的要求苛刻,必須維持在300~350℃,需要附加供熱設(shè)備來(lái)維持溫度。另外,電池運(yùn)行的控制也比較困難,例如在線測(cè)量充放電狀態(tài)不能做到很準(zhǔn)確,必須周期性地進(jìn)行離線度量;安全性相對(duì)也稍差。由于鈉硫電池產(chǎn)品的制造比較困難,目前只有少量的鈉硫電池產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化。前幾年,上海市電力公司與中科院上海硅酸鹽研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)出大容量鈉硫電池,其關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵工藝已取得重大突破,但是關(guān)鍵裝備和工業(yè)化生產(chǎn)仍存在巨大差距,國(guó)內(nèi)鈉硫電池儲(chǔ)能技術(shù)和應(yīng)用在短期內(nèi)還很難取得突破。
鈉硫電池具有許多特色之處:一個(gè)是比能量(即電池單位質(zhì)量或單位體積所具有的有效電能量)高,其理論比能量為760Wh/Kg。另一個(gè)是可大電流、高功率放電。其放電電流密度一般可達(dá)200-300mA/cm2,并瞬時(shí)間可放出其3倍的固有能量;再一個(gè)是充放電效率高。由于采用固體電解質(zhì),所以沒(méi)有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的那種自放電及副反應(yīng),充放電電流效率幾乎100%。當(dāng)然,事物總是一分為二的,鈉硫電池也有不足之處,其工作溫度在300-350℃,所以,電池工作時(shí)需要一定的加熱保溫。但采用高性能的真空絕熱保溫技術(shù),可有效地解決這一問(wèn)題。
空氣電池
鋰空氣電池是一種用鋰作陽(yáng)極,以空氣中的氧氣作為陰極反應(yīng)物的電池。
放電過(guò)程:陽(yáng)極的鋰釋放電子后成為鋰陽(yáng)離子(Li+),Li+穿過(guò)電解質(zhì)材料,在陰極與氧氣、以及從外電路流過(guò)來(lái)的電子結(jié)合生成氧化鋰(Li2O)或者過(guò)氧化鋰(Li2O2),并留在陰極。鋰空氣電池的開(kāi)路電壓為2.91 V。
新型鋰空氣電池在空氣中以0.1A/g的放電率進(jìn)行放電時(shí),放電能約為9000mAh/g。以前的鋰空氣電池的放電能僅為700~3000mAh/g,可以說(shuō)實(shí)現(xiàn)了能的大幅增加。另外,充電能也達(dá)到約9600mAh/g。如果使用水溶液取代水溶性凝膠,便可在空氣中連續(xù)放電20天,其放電能約為50000mAh/g,比原來(lái)約高10倍。由于鋰空氣電池的能量原本就比鋰離子電池約高10倍,因此使用新技術(shù)后共比鋰離子電池約高100倍。
雖然鋰空氣電池有明顯優(yōu)點(diǎn),但缺點(diǎn)也很突出,距離大規(guī)模商業(yè)化還有一定距離。電池的反應(yīng)產(chǎn)物過(guò)氧化鋰及反應(yīng)中間的產(chǎn)物超氧化鋰都有較高的反應(yīng)活性,會(huì)分解電解液,因此幾個(gè)充放電循環(huán)后電池電量就會(huì)急劇下降,電池壽命較短;由于過(guò)氧化鋰導(dǎo)電性能差,充電時(shí)很難分解,需要很高的充電電壓,這還會(huì)導(dǎo)致分解電解液及碳電極等副作用。放電時(shí),過(guò)氧化鋰會(huì)堵塞多孔碳電極,導(dǎo)致放電提前結(jié)束;充電時(shí),鋰金屬負(fù)極表面會(huì)呈樹(shù)枝狀向正極生長(zhǎng),最終可能導(dǎo)致短路,存在安全隱患;鋰金屬與空氣中的水蒸氣、氮?dú)?、二氧化碳都?huì)發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致負(fù)極材料消耗,最終使電池失效。
飛輪電池
飛輪電池是20世紀(jì)90年代提出的新概念電池,它突破了化學(xué)電池 的局限,用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。
飛輪電池中有一個(gè)電機(jī),充電時(shí)該電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn),在外電源的驅(qū)動(dòng)下,電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn),即用電給飛輪電池"充電"增加了飛輪的轉(zhuǎn)速?gòu)亩龃笃涔δ?放電時(shí),電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn),在飛輪的帶動(dòng)下對(duì)外輸出電能,完成機(jī)械能(動(dòng)能)到電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)飛輪電池發(fā)出電的時(shí),飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降,轉(zhuǎn)速極高(高達(dá)200000r/min,使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)稱,飛輪電池比能量可達(dá)150W ·h/kg,比功率達(dá)5000-10000W/kg,使用壽命長(zhǎng)達(dá)25年,可供電動(dòng)汽車行駛500萬(wàn)公里。美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司已用最新研制的飛輪電池成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動(dòng)轎車,一次充電可行駛 600km,由靜止到96km/h加速時(shí)間為6.5秒。
"飛輪"這一儲(chǔ)能元件,已被人們利用了數(shù)千年,主要是利用它的慣性來(lái)均衡轉(zhuǎn)速和闖過(guò)"死點(diǎn)",由于它們的工作周期都很短,每旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間不足一秒鐘,在這樣短的時(shí)間內(nèi),飛輪的能耗是可以忽略的。現(xiàn)在想利用飛輪來(lái)均衡周期長(zhǎng)達(dá)12~24小時(shí)的能量,飛輪本身的能耗就變得非常突出了。能耗主要來(lái)自軸承摩擦和空氣阻力。人們?cè)ㄟ^(guò)改變軸承結(jié)構(gòu),如變滑動(dòng)軸承為滾動(dòng)軸承、液體動(dòng)壓軸承、氣體動(dòng)壓軸承等來(lái)減小軸承摩擦力,通過(guò)抽真空的辦法來(lái)減小空氣阻力,軸承摩擦系數(shù)已小到10-3。即使如此微小,飛輪所儲(chǔ)的能量在一天之內(nèi)仍有25%被損失,仍不能滿足高效儲(chǔ)能的要求。
近年來(lái),飛輪儲(chǔ)能技術(shù)取得突破性進(jìn)展是基于下述三項(xiàng)技術(shù)的飛速發(fā)展:一是高能永磁及高溫超導(dǎo)技術(shù)的出現(xiàn);二是高強(qiáng)纖維復(fù)合材料的問(wèn)世;三是電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展。
超導(dǎo)磁懸浮原理是這樣的:當(dāng)我們將一塊永磁體的一個(gè)極對(duì)準(zhǔn)超導(dǎo)體,并接近超導(dǎo)體時(shí),超導(dǎo)體上便產(chǎn)生了感應(yīng)電流。該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)剛好與永磁的磁場(chǎng)相反,于是二者便產(chǎn)生了斥力。由于超導(dǎo)體的電阻為零,感生電流強(qiáng)度將維持不變。若永磁體沿垂直方向接近超導(dǎo)體,永磁體將懸空停在自身重量等于斥力的位置上,而且對(duì)上下左右的干擾都產(chǎn)生抗力,干擾力消除后仍能回到原來(lái)位置,從而形成穩(wěn)定的磁懸浮。若將下面的超導(dǎo)體換成永磁體,則兩永磁體之間在水平方向也產(chǎn)生斥力,故永磁懸浮是不穩(wěn)定的。
利用超導(dǎo)這一特性,我們可以把具有一定質(zhì)量的飛輪放在永磁體上邊,飛輪兼作電機(jī)轉(zhuǎn)子。當(dāng)給電機(jī)充電時(shí),飛輪增速儲(chǔ)能,變電能為機(jī)械能;飛輪降速時(shí)放能,變機(jī)械能為電能。飛輪儲(chǔ)能大小除與飛輪的質(zhì)量(重量)有關(guān)外,還與飛輪上各點(diǎn)的速度有關(guān),而且是平方的關(guān)系。因此提高飛輪的速度(轉(zhuǎn)速)比增加質(zhì)量更有效。但飛輪的轉(zhuǎn)速受飛輪本身材料限制。轉(zhuǎn)速過(guò)高,飛輪可能被強(qiáng)大的離心力撕裂。故采用高強(qiáng)度、低密度的高強(qiáng)復(fù)合纖維飛輪,能儲(chǔ)存更多的能量。目前選用的碳纖維復(fù)合材料,其輪緣線速度可達(dá)1000米/秒,比子彈速度還要高。正是由于高強(qiáng)復(fù)合材料的問(wèn)世,飛輪儲(chǔ)能才進(jìn)入實(shí)用階段。
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