便宜的電池可以儲存能量，以備不時之需
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-19 10:45
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從太陽收獲的能量和風(fēng)正在通過千兆瓦涌入電網(wǎng)。這使得在微風(fēng)消亡或天空坍塌的時候找到一種有效且便捷的方式來存儲可再生能源變得更加重要。
“現(xiàn)在我們很有可能解決這個問題，”馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學(xué)的材料科學(xué)家Michael Aziz說。他的解決方案是流動電池，具有高能量密度，無需其他型號中的昂貴金屬。
流動電池通過在由膜隔開的兩個電極上泵送不同的化學(xué)肉湯來工作。這些化學(xué)物質(zhì)穿過膜交換質(zhì)子，并在連接電極的電路周圍穿梭電子，從而使電池放電。反轉(zhuǎn)反應(yīng)可為電池充電（參見底部圖表）。
液流電池的最大優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)品可以儲存在電池組件外的儲罐中。增加容量只需要建造更大的儲罐，使液流電池特別適合大規(guī)模儲能。
最先進(jìn)的商用液流電池依賴于釩離子。世界各地都在運(yùn)行少量釩液流電池，而去年在日本，太陽能發(fā)電正在飆升，北海道電力公司訂購了世界上最大的釩液流電池。電池應(yīng)該在2015年準(zhǔn)備就緒。
“問題是，釩真的很貴，”阿齊茲說。
動力裝置在過去的幾十年中，研究人員已經(jīng)研究了許多其他化學(xué)系統(tǒng)，并且除了極少數(shù)外，其他所有化學(xué)系 阿齊茲說：“周期表很好地被選中了。” “所以我們?yōu)檫@個問題引入了有機(jī)化學(xué)的世界。”
他的電池陽極使用含有一種有機(jī)化合物（稱為醌）的硫酸溶液。醌是便宜的并且不需要催化促使與質(zhì)子反應(yīng)形成更高能量的氫醌，從而給電池充電。阿齊茲與一個著名的合作伙伴合作了這一半流動電池：一個在溴和氫溴酸之間交替的陰極。
醌 - 氫醌反應(yīng)比競爭對手的釩反應(yīng)快約1000倍，使電池快速充電和放電。通過改變一些醌的化學(xué)基團(tuán)，Aziz可以改變它們的溶解度，甚至可以改變液流電池的電壓，對系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)。今天在“ 自然”雜志上公布的電池已完成100次充放電循環(huán)，沒有退化跡象（盡管商用系統(tǒng)可能需要超過10,000次循環(huán)）。
Aziz估計(jì)他的液流電池可以在化學(xué)品中儲存一千瓦時的能量，成本為27美元 - 相當(dāng)于競爭對手釩系統(tǒng)價(jià)格的三分之一。進(jìn)一步的改進(jìn)可以使其與其他技術(shù)競爭，以儲存大量能源，如壓縮空氣。
“我只是希望我能想到它，因?yàn)樗且粋€如此簡單的系統(tǒng)，”俄亥俄州克利夫蘭凱斯西儲大學(xué)的電化學(xué)工程師Robert Savinell說。“而最簡單的想法往往是最有效的。”
有機(jī)溶液該系統(tǒng)遠(yuǎn)非完美，但是：溴和氫溴酸具有腐蝕性，如果泄漏則可能造成嚴(yán)重污染。阿齊茲說：“現(xiàn)在，溴是這種特殊電池的致命弱點(diǎn)。” 答案可能是完全有機(jī)，他補(bǔ)充說：“我們正在努力用不同的醌替代溴。”
他從美國高級研究計(jì)劃局 - 能源（ARPA-E）獲得資金，在三年內(nèi)將這個概念發(fā)展成一個“關(guān)于馬拖車大小”的大型原型。他的團(tuán)隊(duì)還與康涅狄格州格拉斯頓伯里的清潔技術(shù)公司Sustainable Innovations合作，將液流電池商業(yè)化。
對流動電池感興趣的不僅僅是能源公司。“入門級市場最大的市場是希望通過在夜間購買更便宜的電力并在白天將其用于制造來降低電費(fèi)的行業(yè)，”Savinell說。
Aziz補(bǔ)充說，更便宜的液流電池甚至可以與家用太陽能電池陣列配合使用。他認(rèn)為，使用一個不超過已經(jīng)安裝在許多家庭中的2000升加熱油箱的系統(tǒng)，“存儲一天的太陽能，并在晚上為您的家供電是合理的”。
在過去的六年里，非洲和亞洲的110個村莊從使用鋅和氧的太陽能板和電池中獲得電力。這種電池是NantEnergy創(chuàng)造的一種創(chuàng)新儲能系統(tǒng)的基礎(chǔ)，NantEnergy是一家由黃馨祥（Patrick Soon-Shiong）擁有的公司，黃馨祥是一名來自南非的生物技術(shù)企業(yè)家和外科醫(yī)生。
100年前，托馬斯·愛迪生(Thomas Edison)曾試圖開發(fā)用鋅制成的電池。但他沒有弄清楚如何使它們在技術(shù)上可行。NantEnergy表示，他們的鋅空氣電池是第一個商業(yè)化的電池。
NantEnergy的科學(xué)家們表示，他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了兩個關(guān)鍵目標(biāo)：使電池可充電，并將其儲能成本降低到每千瓦時100美元。一些業(yè)內(nèi)人士說，這個數(shù)字對于建立一個無碳電網(wǎng)至關(guān)重要，即使在太陽下山、風(fēng)力減弱的情況下也能運(yùn)行。
鋅空氣電池是鋰離子電池的幾種潛在替代品之一。到目前為止，鋰離子電池一直是大規(guī)模儲能和電動汽車的重點(diǎn)。
鋅的商業(yè)來源是什么?
黃馨祥的鋅產(chǎn)自印尼，該公司稱其礦產(chǎn)豐富。南加州大學(xué)(University of Southern California)的化學(xué)教授斯里R納拉揚(yáng)(Sri R. Narayan)說，美國的鋅儲量約占全球的5%，產(chǎn)量占全球的7%，其中大部分來自阿拉斯加的礦山。澳大利亞和中國的儲量約占全球的一半，是全球最大的鋅生產(chǎn)國之一。
納拉揚(yáng)說，鋰是鋰離子電池的主要元素，其儲量只有鋅的二十分之一。他表示:“以目前的鋅生產(chǎn)速度，鋅儲量將持續(xù)約25年。”“因此，目前還不清楚我們是否有足夠的鋅來滿足電網(wǎng)規(guī)模電池的巨大需求。”
像鋰這樣的材料之所以昂貴，部分原因是它們很稀有。在鋰資源豐富的地區(qū)，如中非的剛果，鋰礦開采也威脅著工人的健康和安全。長時間接觸鋰會對健康造成影響，比如肺部積液。鋰離子電池也會引發(fā)火災(zāi)。
根據(jù)麻省理工學(xué)院的技術(shù)評論，鋅空氣電池沒有有毒化合物，不易燃，可以安全處理。不過，鋅的開采和加工確實(shí)存在危險(xiǎn)。納拉揚(yáng)說，它來自于一種由硫化鋅組成的礦石，通常與鉛、鎘和鎳一起生產(chǎn)，大規(guī)模生產(chǎn)可能會引發(fā)二氧化硫和鎘蒸氣釋放帶來的環(huán)境問題。
鋅空氣電池的儲能成本是多少?
克林頓政府的能源助理部長丹·賴徹(Dan Reicher)提醒說，電池每千瓦時的成本取決于應(yīng)用和規(guī)模，因此很難進(jìn)行有用的比較。
NantEnergy表示，與鋰離子電池相比，鋅空氣電池的成本每千瓦時100美元，是比較有利的。鋰離子電池每千瓦時250美元，但通常要300到400美元。南佛羅里達(dá)大學(xué)清潔能源中心主任、著名大學(xué)教授約吉戈斯瓦米（Yogi Goswami）說。
即使以每千瓦時100美元的價(jià)格計(jì)算，對公用事業(yè)行業(yè)來說，儲能仍是一項(xiàng)巨大的支出，盡管電池的價(jià)格一直在急劇下降，預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)將與民用太陽能電池板一樣普遍。
這種電池可以在家庭或移動設(shè)備上使用嗎？
NantEnergy表示，他們目前的重點(diǎn)是為微電網(wǎng)提供產(chǎn)品，而不是為個人住宅用戶或公用事業(yè)規(guī)模的系統(tǒng)。但該公司預(yù)計(jì)未來將在加州和紐約供應(yīng)家用電池。
使用這種電池的村莊和島嶼——包裝成公文包大小——通常將它們連接到太陽能電池陣列上，這種太陽能電池陣列的大小相當(dāng)于一個停車場或一所學(xué)校的樹冠。此外，這些電池還為杜克能源(Duke Energy)的數(shù)百座通訊塔提供電力，這是NantEnergy業(yè)務(wù)的重要組成部分。對于下一個版本的產(chǎn)品，該公司計(jì)劃增加交通系統(tǒng)，如電動汽車、公共汽車、火車和摩托車。
除此之外呢?“我們有了第一個移動收音機(jī)的原型，”黃馨祥說。“我們不想過分承諾，但我們電池的能量密度讓這成為可能。”“我們將把注意力轉(zhuǎn)向這個市場，”他補(bǔ)充道。“規(guī)模很大，但對我們來說可能是2020年
