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    超越鋰:基于令人驚訝物質的10種電池

    放大字體  縮小字體 發布日期:2022-09-22


    有些仍在實驗室內,有些已在生產中,然而每種電池技術作為一種有能力的電源都在引起人們的重視。

    隨著向可再生能源的過渡與汽車工業電氣化進程的推進,鋰(鋰離子)受到了更多的關注。商業和技術媒體——包括我們《電池技術》(Battery technology)——報道了鋰動力的最新進展,包括這種元素是如何被開采、提煉、購買、爭奪、應用于電池以及消費者充電的。我們在討論它的優點的同時也討論它的缺點——例如,努力提高它在極端溫度下的性能和減輕熱失控。從它從地面被移除到最終,希望是安全的,被處理掉——整個媒體都在報道它作為電池行業的MVP。

    但與此同時,在媒體聚光燈的相對陰影下,是一系列基于鋰以外物質的電池技術。本周,我們分別分享了基于硫電池和鈉電池的研發更新。但這個小樣本僅僅觸及了非鋰電池開發的皮毛。用于按需儲存和供應能源的材料和系統的范圍比人們想象的要廣泛得多。

    出于這個原因,這里簡要介紹10個例子。當我們考慮電池不僅是電動汽車的電源,而且是小型電子設備和城市規模的電網的電源時,正在開發的解決方案是廣泛的和令人印象深刻的。它們包括基于沙子、二氧化碳、熱和水的電池——這一列表非常接近經典世界的元素類別,如土、空氣、火和水——從這些元素開始。你自己看。

     

    沙子

    芬蘭一家稱為Polar Night Energy的初創公司正在芬蘭小鎮Kankaanpää用一種基于沙子開發的電池為建筑物供暖:電池建成塔的形狀,可以容納100噸的沙子。通過風能等可再生能源,尤其是太陽能,沙子可被過熱至500°C左右,并可在漫長寒冷的冬季保持約三個月的熱量。

     

    紐約Troy的倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)研究人員提議,鈣離子可以作為鋰離子的代替,鈣離子是一個更環保、更高效且較低成本的能源儲存物質。

    倫斯勒理工學院工程系教授Nikhil Koratkar在新聞中表示:“我們目前通過水性水基電解質中使用鈣離子研究一種廉價、豐富、安全且可持續的電池化學。”

    盡管鈣離子相對于鋰而言,具有更大尺寸和更高電荷密度會削弱擴散動力學和循環穩定性,Koratkar教授和他的團隊提供了包含大開放空間(七邊形和六邊形通道)的氧化物結構作為前景解決方案。他們的研究成果發表在《National Academy of Science》上,水性鈣離子電池采用正交晶和三角晶型鉬釩氧化物(MoVO)作為鈣離子的主體。

    Koratkar教授表示:“鈣離子是二價的,因此在電池運行期間插入一次離子將為每個離子提供兩個電子。這使得高效電池的鈣離子質量和體積減少。然而,相對于鋰而言,更高的離子電荷和較大尺寸的鈣離子使得將鈣離子插入電池電極非常具有挑戰性。我們通過研發一種特殊種類的材料來解決這一問題,這種材料被稱為鉬釩氧化物,包含穿過材料的大六邊形和七邊形的通道。”

     

    二氧化碳

    Energy Dome在意大利Sardinia島上完成了一項概念驗證設施,該設施可以為電網儲存長達10小時的能量,而成本才不到鋰離子電池系統的一半,存儲介質為二氧化碳。當風能、太陽能等可再生能源充足時,它們被用于從封閉系統的圓頂中提取二氧化碳,并在環境溫度下將其壓縮成液態。當需要能源是,二氧化碳被允許膨脹進入發電渦輪機,然后返回到圓頂,一直保持到下一個充電循環。

     

    麻省理工學院(MIT)與國家可再生能源實驗室(NREL)合作研發了熱光伏(TPV)電池,通過被動捕獲來自熱源的高能光子將熱能轉換為電能。根據MIT提供的數據,效率超過40%,其性能也較傳統的蒸汽發動機更好。

    據MIT新聞辦公室的消息,計劃是將熱光伏電池并入電網規模的熱電池。“該系統從太陽能等可再生能源中吸收多余的能量,并將這些能量儲存在高度絕緣的熱石墨庫中。當需要能源時,如陰天,熱光伏電池將熱能轉化成電能,并將能源傳輸到電網。”

     

    電池制造商Alsym Energy的發言人Woburn告訴CleanTechnica,該公司正在研發一種“無鋰、鈷或鎳,并且電解液是水基于有機溶劑。”此外,電池中使用的所有材料本質上都是不易燃和無毒的,制造、應用和壽命終止過程都是安全和環保的。電池正在研發用于電動汽車和其他應用。

    相關信息不是很多,但很顯然Alsym與Synergy Marine共享了很多細節,以說服總部位于新加坡的船舶管理服務提供商與他們合作開發特定于海運行業的應用程序。根據Alsym的新聞發言稱:“Alsym將為Synergy與Nissen Kaiun提供從公司大批量生產的第一年開始,三年內每年十億瓦時的電池,條件是電池系統滿足貨船和油船的關鍵性能等級和監管要求。”

     

    水(2)

    到目前為止,電池最大的例子是位于瑞士Valais的Nant de Drance“水電池”,電池的組成部分是Vieux Emosson水庫,可以存儲2,500萬立方米的水(超過6,500個奧林匹克規模的游泳池),并且下方的Emosson水庫是瑞士第二大水庫。

    在兩個水庫之間600米深的洞穴中,有六個水力渦輪機,每個都可產生150MW的電能??稍偕茉闯渥銜r,可為水力渦輪機提供動力,將較低水庫的水泵取到較高的水庫中;當需要時,通過渦輪機將水釋放回較低水庫,產生電能。根據Nant de Drance的說法,該巨型電池的儲能在2,000萬kWh,相當于40輛萬電動汽車的電池。

     

    重力

    荷蘭重型起重設備開發商Huisman Manufacturing與位于蘇格蘭Edenburgh的初創公司Graviticity合作,打造重力電池系統。設計概念是利用塔架或礦井懸掛重物。正如前面提到的基于沙子和水的例子一樣,當可再生能源充足時,用于驅動絞車提升重量;當需要能源時,允許重量逐漸下降,并在此過程中發電。

     

    樹木

    可再生包裝、建筑產品和紙張制造商Stora Enso正與電池開發商Northvolt合作開發基于木材的電池。

    Stora Enso的生物材料執行副總裁Johanna Hagelberg表示:“與Northvolt的聯合電池研發標志著我們向快速增長的電池市場提供木材制成的可再生陽極材料的旅程邁出了一步。木質素基硬碳Lignode將確保歐洲陽極原材料的戰略供應,滿足從移動到固定儲能應用的可持續電池需求。”

    據新聞報道稱,Northvolt將推動電池設計,生產工藝研發以及擴大技術規模。

     

    紙&水

    材料科學和技術開發商Empa研發了一種水活化一次性紙電池。研究人員建議這種電池可以用于多種低功耗、一次性使用的電子產品,例如,追蹤物體的智能標簽、環境傳感器以及醫學醫療診斷設備。

    Empa在新聞中提供了詳細信息:

    電池是由面積至少為1平方厘米的電池,由印刷在矩形紙帶上的三種油墨組成的。鹽分散在紙帶上,較短的一端浸在蠟中。油墨含有石墨薄片,可以充當電池正極(陰極),打印在紙張的一個平面上,而含有鋅粉的油墨可以充當電池負極(陽極),則印刷在紙張背面。另一種油墨包含石墨薄片和黑炭,打印在電池的兩面,并在另外兩種油墨上。這種油墨構成了集電器,將電池的正極和負極連接到兩條電線上,這兩條電線位于紙的浸蠟端。

    當加入少量水時,紙上的鹽分溶解并釋放帶電離子,從而使電解液具有離子導電性。這些離子通過分散在紙中激活電池,導致陽極油墨中的鋅被氧化,從而釋放電子。通過關閉外部電路,這些電子可以從含鋅陽極通過含石墨和炭黑的油墨、電線和設備轉移到石墨陰極,它們被轉移到環境空氣中的氧氣,并因此減少氧氣。這些氧化還原反應(還原和氧化)產生可用于外部電氣設備的供電的電流。

     

    總部位于得克薩斯州的初創公司Group1表示,該公司是世界上第一家將新型鉀離子電池(KIB)陰極材料商業化的公司。在新聞報道中,該公司表示他們使用“機器學習驅動的過程來優化普魯士白鉀(KPW)陰極材料的生產,可以實現更快速、高效且安全的新型鉀離子電池,可能是鋰離子電池的可持續和關鍵替代品。”

    該公司表明,由于該材料與現有石墨陽極材料、電解質、電池設計和鋰離子電池的制造相匹配,行業將加速采用Group1的KPW陰極材料。這意味著鋰離子電池制造商將不再需要改變現有的基礎設施,因為它已經可以用于生產由KPW陰極材料啟用的新型鉀離子電池。

    根據Group1的數據,Group1的KPW陰極材料中使用的鉀在地球上的含量是鋰的1000倍,而且價格比鋰的價格合適20倍。

     

    中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯

    2022.9.19 
     
     
    關于我們:中國化學與物理電源行業協會(China Industrial Association of Power Sources,縮寫:CIAPS) 是由電池行業企(事)業單位自愿組成的全國性、行業性、非營利性的社會組織。協會成立于1989年12月,現有530多家會員單位,下設堿性蓄電池與新型化學電源分會、酸性蓄電池分會、鋰電池分會、太陽能光伏分會、干電池工作委員會、電源配件分會、移動電源分會、儲能應用分會、動力電池應用分會和電池隔膜分會等十個分支機構。
    本會專業范圍包括:鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池、鋅錳堿錳電池、鋰一次電池、鋰離子電池、太陽電池、燃料電池、鋅銀電池、熱電池、超級電容器、溫差發電器及其他各種新型電池、電池系統解決方案,以及各類電池用原材料、零配件、生產設備、測試儀器和電池管理系統等。

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