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超越锂:基于令人惊讶物质的10种电池

发布时间:2022/9/23 阅读:1931

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有些仍在实验室内,有些已在生产中,然而每种电池技术作为一种有能力的电源都在引起人们的重视。

随着向可再生能源的过渡与汽车工业电气化进程的推进,锂(锂离子)受到了更多的关注。商业和技术媒体——包括我们《电池技术》(Battery technology)——报道了锂动力的最新进展,包括这种元素是如何被开采、提炼、购买、争夺、应用于电池以及消费者充电的。我们在讨论它的优点的同时也讨论它的缺点——例如,努力提高它在极端温度下的性能和减轻热失控。从它从地面被移除到最终,希望是安全的,被处理掉——整个媒体都在报道它作为电池行业的MVP。

但与此同时,在媒体聚光灯的相对阴影下,是一系列基于锂以外物质的电池技术。本周,我们分别分享了基于硫电池和钠电池的研发更新。但这个小样本仅仅触及了非锂电池开发的皮毛。用于按需储存和供应能源的材料和系统的范围比人们想象的要广泛得多。

出于这个原因,这里简要介绍10个例子。当我们考虑电池不仅是电动汽车的电源,而且是小型电子设备和城市规模的电网的电源时,正在开发的解决方案是广泛的和令人印象深刻的。它们包括基于沙子、二氧化碳、热和水的电池——这一列表非常接近经典世界的元素类别,如土、空气、火和水——从这些元素开始。你自己看。

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01

沙子

芬兰一家称为Polar Night Energy的初创公司正在芬兰小镇Kankaanpää用一种基于沙子开发的电池为建筑物供暖:电池建成塔的形状,可以容纳100吨的沙子。通过风能等可再生能源,尤其是太阳能,沙子可被过热至500°C左右,并可在漫长寒冷的冬季保持约三个月的热量。

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02

纽约Troy的伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)研究人员提议,钙离子可以作为锂离子的代替,钙离子是一个更环保、更高效且较低成本的能源储存物质。

伦斯勒理工学院工程系教授Nikhil Koratkar在新闻中表示:“我们目前通过水性水基电解质中使用钙离子研究一种廉价、丰富、安全且可持续的电池化学。”

尽管钙离子相对于锂而言,具有更大尺寸和更高电荷密度会削弱扩散动力学和循环稳定性,Koratkar教授和他的团队提供了包含大开放空间(七边形和六边形通道)的氧化物结构作为前景解决方案。他们的研究成果发表在《National Academy of Science》上,水性钙离子电池采用正交晶和三角晶型钼钒氧化物(MoVO)作为钙离子的主体。

Koratkar教授表示:“钙离子是二价的,因此在电池运行期间插入一次离子将为每个离子提供两个电子。这使得高效电池的钙离子质量和体积减少。然而,相对于锂而言,更高的离子电荷和较大尺寸的钙离子使得将钙离子插入电池电极非常具有挑战性。我们通过研发一种特殊种类的材料来解决这一问题,这种材料被称为钼钒氧化物,包含穿过材料的大六边形和七边形的通道。”

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03

二氧化碳

Energy Dome在意大利Sardinia岛上完成了一项概念验证设施,该设施可以为电网储存长达10小时的能量,而成本才不到锂离子电池系统的一半,存储介质为二氧化碳。当风能、太阳能等可再生能源充足时,它们被用于从封闭系统的圆顶中提取二氧化碳,并在环境温度下将其压缩成液态。当需要能源是,二氧化碳被允许膨胀进入发电涡轮机,然后返回到圆顶,一直保持到下一个充电循环。

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04

麻省理工学院(MIT)与国家可再生能源实验室(NREL)合作研发了热光伏(TPV)电池,通过被动捕获来自热源的高能光子将热能转换为电能。根据MIT提供的数据,效率超过40%,其性能也较传统的蒸汽发动机更好。

据MIT新闻办公室的消息,计划是将热光伏电池并入电网规模的热电池。“该系统从太阳能等可再生能源中吸收多余的能量,并将这些能量储存在高度绝缘的热石墨库中。当需要能源时,如阴天,热光伏电池将热能转化成电能,并将能源传输到电网。”

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05

电池制造商Alsym Energy的发言人Woburn告诉CleanTechnica,该公司正在研发一种“无锂、钴或镍,并且电解液是水基于有机溶剂。”此外,电池中使用的所有材料本质上都是不易燃和无毒的,制造、应用和寿命终止过程都是安全和环保的。电池正在研发用于电动汽车和其他应用。

相关信息不是很多,但很显然Alsym与Synergy Marine共享了很多细节,以说服总部位于新加坡的船舶管理服务提供商与他们合作开发特定于海运行业的应用程序。根据Alsym的新闻发言称:“Alsym将为Synergy与Nissen Kaiun提供从公司大批量生产的第一年开始,三年内每年十亿瓦时的电池,条件是电池系统满足货船和油船的关键性能等级和监管要求。”

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06

水(2)

到目前为止,电池最大的例子是位于瑞士Valais的Nant de Drance“水电池”,电池的组成部分是Vieux Emosson水库,可以存储2,500万立方米的水(超过6,500个奥林匹克规模的游泳池),并且下方的Emosson水库是瑞士第二大水库。

在两个水库之间600米深的洞穴中,有六个水力涡轮机,每个都可产生150MW的电能。可再生能源充足时,可为水力涡轮机提供动力,将较低水库的水泵取到较高的水库中;当需要时,通过涡轮机将水释放回较低水库,产生电能。根据Nant de Drance的说法,该巨型电池的储能在2,000万kWh,相当于40辆万电动汽车的电池。

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07

重力

荷兰重型起重设备开发商Huisman Manufacturing与位于苏格兰Edenburgh的初创公司Graviticity合作,打造重力电池系统。设计概念是利用塔架或矿井悬挂重物。正如前面提到的基于沙子和水的例子一样,当可再生能源充足时,用于驱动绞车提升重量;当需要能源时,允许重量逐渐下降,并在此过程中发电。

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08

树木

可再生包装、建筑产品和纸张制造商Stora Enso正与电池开发商Northvolt合作开发基于木材的电池。

Stora Enso的生物材料执行副总裁Johanna Hagelberg表示:“与Northvolt的联合电池研发标志着我们向快速增长的电池市场提供木材制成的可再生阳极材料的旅程迈出了一步。木质素基硬碳Lignode将确保欧洲阳极原材料的战略供应,满足从移动到固定储能应用的可持续电池需求。”

据新闻报道称,Northvolt将推动电池设计,生产工艺研发以及扩大技术规模。

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09

纸&水

材料科学和技术开发商Empa研发了一种水活化一次性纸电池。研究人员建议这种电池可以用于多种低功耗、一次性使用的电子产品,例如,追踪物体的智能标签、环境传感器以及医学医疗诊断设备。

Empa在新闻中提供了详细信息:

电池是由面积至少为1平方厘米的电池,由印刷在矩形纸带上的三种油墨组成的。盐分散在纸带上,较短的一端浸在蜡中。油墨含有石墨薄片,可以充当电池正极(阴极),打印在纸张的一个平面上,而含有锌粉的油墨可以充当电池负极(阳极),则印刷在纸张背面。另一种油墨包含石墨薄片和黑炭,打印在电池的两面,并在另外两种油墨上。这种油墨构成了集电器,将电池的正极和负极连接到两条电线上,这两条电线位于纸的浸蜡端。

当加入少量水时,纸上的盐分溶解并释放带电离子,从而使电解液具有离子导电性。这些离子通过分散在纸中激活电池,导致阳极油墨中的锌被氧化,从而释放电子。通过关闭外部电路,这些电子可以从含锌阳极通过含石墨和炭黑的油墨、电线和设备转移到石墨阴极,它们被转移到环境空气中的氧气,并因此减少氧气。这些氧化还原反应(还原和氧化)产生可用于外部电气设备的供电的电流。

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10

总部位于得克萨斯州的初创公司Group1表示,该公司是世界上第一家将新型钾离子电池(KIB)阴极材料商业化的公司。在新闻报道中,该公司表示他们使用“机器学习驱动的过程来优化普鲁士白钾(KPW)阴极材料的生产,可以实现更快速、高效且安全的新型钾离子电池,可能是锂离子电池的可持续和关键替代品。”

该公司表明,由于该材料与现有石墨阳极材料、电解质、电池设计和锂离子电池的制造相匹配,行业将加速采用Group1的KPW阴极材料。这意味着锂离子电池制造商将不再需要改变现有的基础设施,因为它已经可以用于生产由KPW阴极材料启用的新型钾离子电池。

根据Group1的数据,Group1的KPW阴极材料中使用的钾在地球上的含量是锂的1000倍,而且价格比锂的价格合适20倍。


中国化学与物理电源行业协会 

杨柳翻译

2022.9.19