儲能電池新技術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成為公用事業公司主要采用的固定式儲能電池。然而，麻省理工學院研究人員研發生產的創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吹的時間，這使得在風能和太陽能資源不足時很難為電網持續提供電力。而為了維持電力供應，滿足對電力的持續需求，需要一些存儲可再生能源或傳統電廠生產的電能。公用事業公司采用的固定式儲能產品主要有兩種：充電機充電鋰離子電池和幾種電化學電池。
根據調研機構Navigant Research公司的調查，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用最廣泛的技術。其中一個原因是由于電動汽車行業的生產能力和銷量增加，大量的需求導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合了低成本和信譽良好的供應商的優勢。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用。”
開發電池儲能新技術
而麻省理工學院日前開發的一種新型金屬網膜技術可以解決一些存在的問題，并可以實現成本更低的儲能。
非充電機充電鋰離子電池技術供應商希望利用新型電能進入快速發展的儲能行業。例如，麻省理工學院的研究人員開發出一種新的熔融電極儲能電池。該電池基于由液態金屬制成的電極，并配有可用于電網規模安裝的新型金屬網膜。網膜中包含的液態金屬采用鈉或其他金屬。其電池電極另一端采用的液態金屬是鉛、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。
麻省理工學院的研究團隊由Donald Sadoway教授、材料化學教授JohnF.Elliott、Postdocs Huayi Yin和Brice Chung以及其他四人組成的，該團隊開發的電池基于液體鈉電極材料，這種技術在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應用之外，該系統從未被廣泛實施。
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來實現，這是一種更強大、更靈活的材料，可以經得起工業級儲能系統的嚴苛的應用。“我認為這是一個技術突破。”Sadoway說，”這是五十年來第一次研發出這種類型的電池，其優勢包括價格低廉、原材料豐富、非常安全的操作特性，以及經歷多次充放電循環的能力而沒有退化，最終可能變得一種實用的技術。”
“雖然一些企業繼續生產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，沒有人能真正大規模實現這一過程。”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。
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果感到驚訝。他說，“我們在測試室內剖開了電池并發現了液滴，這是熔鉛液滴。”但是正如研究團隊預期的那樣，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反應（圖1）。
“這真的讓我們看到了一種完全不同的技術。”Sadoway表示，這種薄膜發揮其作用，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，使用其電性質而不是基于材料中孔的尺寸的典型機械分選。
最后經過對各種化合物的試驗，研究團隊發現，涂有氮化鈦溶液的普通鋼網可以實現以前使用的陶瓷膜的所有功能，并且沒有脆性。其結果可以采用廉價和耐用材料生產大型可充電電池。
Sadoway說，新型薄膜的使用可以應用于各種熔融電極電池化學品，并為電池設計開辟了新的途徑。“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規模儲能的間歇性可再生電源，同樣的技術也可以用于其他應用，例如某些金屬生產。
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，例如公用事業規模的負載均衡。在這些應用中，成本更低的電池技術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訪問學者FeiChen，日本原子能機構的訪問科學家Nobuyuki Tanaka、麻省理工學院的研究科學家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。
麻省理工學院的Donald Sadoway博士和他的同事們花費多年時間研究液態金屬電池。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在完成碩士學位和博士學位學習期間，在推動這項技術發展方面發揮了重要作用。
在新電池開發之前，Sadoway和David Bradwell共同創立了一家新公司Ambri，其目標是將他們在2010年開發的液流電池技術實現商業化。Bradwell是該公司主管商業化的高級副總裁兼首席技術官。
Ambri公司生產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）組成，它分隔兩個不同的金屬層（電極）。這種電解質在溫度升高熔化時，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計避免了其他電池技術中固體元件所經歷的主要故障機制，這使其系統工作壽命超過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。
當液態金屬電池在工作溫度范圍內時，頂部金屬層和底部金屬層之間存在電勢能，這產生電池電壓。為了使電池放電，電池電壓從其鎂（Mg）電極驅動電子，向外部負載提供電力，并且電子返回到銻（Sb）電極。在內部，這導致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，使系統返回到三個不同的液體層。
Ambri電池系統的基本單元是全密封液態金屬電池（圖2）。該公司的電池在隔熱罩內串聯在一起形成Ambri核心。每隔幾天操作一次，實現絕緣和“自加熱”，無需外部加熱即可使電池保持工作溫度。Ambri電池系統包括多個Ambri核心，這些核心串聯在一起并通過電力電子設備連接到電網。Ambri電池系統的配置是模塊化的，可以定制以滿足特定的客戶需求。
液流電池
ViZn Energy公司是另一家生產液流電池的公司。核心技術、電力化學技術和堅固包裝是該公司8年來致力于研發電池儲能技術的結果。它能夠同時提供高功率和長時間的能源服務。ViZn電池（圖3）通過使用混合液流電池實現這種獨特的性能混合，其中堿性電化學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，其中電池組循環溶解在系統內包含兩種化學組分的液體電解質中。兩種電解質通過堆疊中的膜分離，并且穿過該膜的離子交換產生電流，同時兩種液體在它們各自的空間中循環。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時間更長。
ViZn液流電池采用安全的化學物質，具有無毒、不易燃、不易爆炸的特點。ViZn電池系統中使用的電解質是食品級的，并且供應充足。
儲能是現代電網的支持技術。這些新型電池可以承受極端高溫環境，并在完全充電狀態下提供強烈的工作循環，在技術成熟，并大規模生產之后，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吹的時間，這使得在風能和太陽能資源不足時很難為電網持續提供電力。而為了維持電力供應，滿足對電力的持續需求，需要一些存儲可再生能源或傳統電廠生產的電能。公用事業公司采用的固定式儲能產品主要有兩種：充電機充電鋰離子電池和幾種電化學電池。
根據調研機構Navigant Research公司的調查，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用最廣泛的技術。其中一個原因是由于電動汽車行業的生產能力和銷量增加，大量的需求導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合了低成本和信譽良好的供應商的優勢。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用。”
開發電池儲能新技術
而麻省理工學院日前開發的一種新型金屬網膜技術可以解決一些存在的問題，并可以實現成本更低的儲能。
非充電機充電鋰離子電池技術供應商希望利用新型電能進入快速發展的儲能行業。例如，麻省理工學院的研究人員開發出一種新的熔融電極儲能電池。該電池基于由液態金屬制成的電極，并配有可用于電網規模安裝的新型金屬網膜。網膜中包含的液態金屬采用鈉或其他金屬。其電池電極另一端采用的液態金屬是鉛、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。
麻省理工學院的研究團隊由Donald Sadoway教授、材料化學教授JohnF.Elliott、Postdocs Huayi Yin和Brice Chung以及其他四人組成的，該團隊開發的電池基于液體鈉電極材料，這種技術在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應用之外，該系統從未被廣泛實施。
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來實現，這是一種更強大、更靈活的材料，可以經得起工業級儲能系統的嚴苛的應用。“我認為這是一個技術突破。”Sadoway說，”這是五十年來第一次研發出這種類型的電池，其優勢包括價格低廉、原材料豐富、非常安全的操作特性，以及經歷多次充放電循環的能力而沒有退化，最終可能變得一種實用的技術。”
“雖然一些企業繼續生產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，沒有人能真正大規模實現這一過程。”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。
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果感到驚訝。他說，“我們在測試室內剖開了電池并發現了液滴，這是熔鉛液滴。”但是正如研究團隊預期的那樣，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反應（圖1）。
“這真的讓我們看到了一種完全不同的技術。”Sadoway表示，這種薄膜發揮其作用，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，使用其電性質而不是基于材料中孔的尺寸的典型機械分選。
最后經過對各種化合物的試驗，研究團隊發現，涂有氮化鈦溶液的普通鋼網可以實現以前使用的陶瓷膜的所有功能，并且沒有脆性。其結果可以采用廉價和耐用材料生產大型可充電電池。
Sadoway說，新型薄膜的使用可以應用于各種熔融電極電池化學品，并為電池設計開辟了新的途徑。“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規模儲能的間歇性可再生電源，同樣的技術也可以用于其他應用，例如某些金屬生產。
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，例如公用事業規模的負載均衡。在這些應用中，成本更低的電池技術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訪問學者FeiChen，日本原子能機構的訪問科學家Nobuyuki Tanaka、麻省理工學院的研究科學家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。
麻省理工學院的Donald Sadoway博士和他的同事們花費多年時間研究液態金屬電池。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在完成碩士學位和博士學位學習期間，在推動這項技術發展方面發揮了重要作用。
在新電池開發之前，Sadoway和David Bradwell共同創立了一家新公司Ambri，其目標是將他們在2010年開發的液流電池技術實現商業化。Bradwell是該公司主管商業化的高級副總裁兼首席技術官。
Ambri公司生產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）組成，它分隔兩個不同的金屬層（電極）。這種電解質在溫度升高熔化時，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計避免了其他電池技術中固體元件所經歷的主要故障機制，這使其系統工作壽命超過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。
當液態金屬電池在工作溫度范圍內時，頂部金屬層和底部金屬層之間存在電勢能，這產生電池電壓。為了使電池放電，電池電壓從其鎂（Mg）電極驅動電子，向外部負載提供電力，并且電子返回到銻（Sb）電極。在內部，這導致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，使系統返回到三個不同的液體層。
Ambri電池系統的基本單元是全密封液態金屬電池（圖2）。該公司的電池在隔熱罩內串聯在一起形成Ambri核心。每隔幾天操作一次，實現絕緣和“自加熱”，無需外部加熱即可使電池保持工作溫度。Ambri電池系統包括多個Ambri核心，這些核心串聯在一起并通過電力電子設備連接到電網。Ambri電池系統的配置是模塊化的，可以定制以滿足特定的客戶需求。
液流電池
ViZn Energy公司是另一家生產液流電池的公司。核心技術、電力化學技術和堅固包裝是該公司8年來致力于研發電池儲能技術的結果。它能夠同時提供高功率和長時間的能源服務。ViZn電池（圖3）通過使用混合液流電池實現這種獨特的性能混合，其中堿性電化學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，其中電池組循環溶解在系統內包含兩種化學組分的液體電解質中。兩種電解質通過堆疊中的膜分離，并且穿過該膜的離子交換產生電流，同時兩種液體在它們各自的空間中循環。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時間更長。
ViZn液流電池采用安全的化學物質，具有無毒、不易燃、不易爆炸的特點。ViZn電池系統中使用的電解質是食品級的，并且供應充足。
儲能是現代電網的支持技術。這些新型電池可以承受極端高溫環境，并在完全充電狀態下提供強烈的工作循環，在技術成熟，并大規模生產之后，將有可能替代充電機充電鋰離子電池。
- 上一篇：充電機充電鋰電池關鍵生產工藝及控制因素 2018/8/16
- 下一篇：充電機充電HEV/EV蓄電池管理系統簡介與設計注意事項 2018/8/14
