什么電池讓廉價安全的儲能技術成為有可能？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-16 10:35
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近日，四級颶風“哈維”橫掃美國得州南部沿岸，導致30萬戶停電。不過，美國休斯頓大學電子工程系和得州超導中心教授姚彥新研發(fā)出的鎂電池，倒是為人們應對災害斷電問題帶來希望。該團隊的新型鎂電池，使廉價安全的儲能技術成為可能。
姚彥就其最新發(fā)表在《自然·通訊》雜志上的成果接受科技日報采訪時說：“新型儲能技術可作為對抗颶風時的備用能源，也可以使得電網(wǎng)更加穩(wěn)定。”當前儲能技術包括超級電容、鉛酸電池、鋰電池等，不同技術的供電功率和時長也不相同。選取何種儲能技術需要綜合考慮地理位置、成本、安全性、循環(huán)壽命、能量密度等指標。
鎂電池以鎂金屬為負極，相對于鋰離子電池而言，具有三個突出優(yōu)勢：鎂在地殼中含量豐富，約為13.9%；鎂負極的體積比容量是鋰金屬的兩倍;在充放電過程中，鎂金屬負極不產(chǎn)生枝晶，因此安全性高。不過，鎂離子的固相擴散十分緩慢，難以找到適合鎂離子儲存的正極嵌入材料。“尋找高比容量與工作電壓的正極材料成為發(fā)展鎂電池的關鍵。”姚彥說。
針對這一問題，他們開發(fā)出新一代的正極鎂電池材料，使得該電池可獲得高達400毫安時/克的質(zhì)量比容量，同早期鎂電池正極相比，效能提高了四倍。目前該鎂電池電壓大約1伏左右，正在研發(fā)的下一代電池電壓可以提到接近3伏。
雖然目前該研究尚處于早期階段，產(chǎn)業(yè)化還沒有具體時間表，但它提出了一個新的研究思路，對廉價安全的多價離子電池具有指導價值。姚彥希望，鎂電池技術可以為今后災難天氣下儲能技術提供解決方案。 國際航空運輸協(xié)會（IATA，以下簡稱“國際航協(xié)”）近日宣布，該協(xié)會出版了第一版運營商《鋰電池風險防范指引》，這項免費的在線指引材料為航空公司提供了與鋰電池航空運輸及安全操作相關的重要信息。
“國際航協(xié)”的安全與運行副總裁凱文·希亞特（KevinHiatt）稱，“在設計、測試、制造、包裝都符合全球安全標準的情況下，鋰電池是可以安全運輸?shù)?。由行業(yè)領先的潛在危險品處理團隊參與制定的《鋰電池風險防范指引》為運營商提供了寶貴的參考資料。”
除了可以免費獲取外，《鋰電池風險防范指引》無版權收費，允許免費下載并分發(fā)給感興趣的用戶。
凱文·希亞特表示，“無論是客運航空還是貨運航空，運營商們都可以依照本指引，隨著需要指引還會進行更新和補充。”據(jù)了解，這項研究公布了制造這種新材料的全新方法，該材料能夠可逆地存儲高度活躍的鎂離子。該研究團隊宣稱，這意味著他們向鎂電池又邁出了重要一步。迄今為止，只有極少數(shù)無機材料表現(xiàn)出了可逆的鎂離子吸收和排除能力，這對于鎂電池來說是至關重要的。
姚彥就其最新發(fā)表在《自然·通訊》雜志上的成果接受科技日報采訪時說：“新型儲能技術可作為對抗颶風時的備用能源，也可以使得電網(wǎng)更加穩(wěn)定。”當前儲能技術包括超級電容、鉛酸電池、鋰電池等，不同技術的供電功率和時長也不相同。選取何種儲能技術需要綜合考慮地理位置、成本、安全性、循環(huán)壽命、能量密度等指標。
鎂電池以鎂金屬為負極，相對于鋰離子電池而言，具有三個突出優(yōu)勢：鎂在地殼中含量豐富，約為13.9%；鎂負極的體積比容量是鋰金屬的兩倍;在充放電過程中，鎂金屬負極不產(chǎn)生枝晶，因此安全性高。不過，鎂離子的固相擴散十分緩慢，難以找到適合鎂離子儲存的正極嵌入材料。“尋找高比容量與工作電壓的正極材料成為發(fā)展鎂電池的關鍵。”姚彥說。
針對這一問題，他們開發(fā)出新一代的正極鎂電池材料，使得該電池可獲得高達400毫安時/克的質(zhì)量比容量，同早期鎂電池正極相比，效能提高了四倍。目前該鎂電池電壓大約1伏左右，正在研發(fā)的下一代電池電壓可以提到接近3伏。
雖然目前該研究尚處于早期階段，產(chǎn)業(yè)化還沒有具體時間表，但它提出了一個新的研究思路，對廉價安全的多價離子電池具有指導價值。姚彥希望，鎂電池技術可以為今后災難天氣下儲能技術提供解決方案。 國際航空運輸協(xié)會（IATA，以下簡稱“國際航協(xié)”）近日宣布，該協(xié)會出版了第一版運營商《鋰電池風險防范指引》，這項免費的在線指引材料為航空公司提供了與鋰電池航空運輸及安全操作相關的重要信息。
“國際航協(xié)”的安全與運行副總裁凱文·希亞特（KevinHiatt）稱，“在設計、測試、制造、包裝都符合全球安全標準的情況下，鋰電池是可以安全運輸?shù)?。由行業(yè)領先的潛在危險品處理團隊參與制定的《鋰電池風險防范指引》為運營商提供了寶貴的參考資料。”
除了可以免費獲取外，《鋰電池風險防范指引》無版權收費，允許免費下載并分發(fā)給感興趣的用戶。
凱文·希亞特表示，“無論是客運航空還是貨運航空，運營商們都可以依照本指引，隨著需要指引還會進行更新和補充。”據(jù)了解，這項研究公布了制造這種新材料的全新方法，該材料能夠可逆地存儲高度活躍的鎂離子。該研究團隊宣稱，這意味著他們向鎂電池又邁出了重要一步。迄今為止，只有極少數(shù)無機材料表現(xiàn)出了可逆的鎂離子吸收和排除能力，這對于鎂電池來說是至關重要的。
研究的共同負責人，倫敦大學學院的Ian Johnson博士稱：“鋰離子技術已經(jīng)接近它的能力極限，因此對于我們來說，找到其他化學物打造出容量更大而且設計更簡單的電池是非常重要的。鎂電池技術一直被認為有可能成為延長手機和電動汽車續(xù)航能力的解決方案，但是陰極材料的選取一直都是一種挑戰(zhàn)。”
鋰離子電池的限制因素之一就是它的陽極。出于安全考慮，鋰離子電池中必須使用低容量的碳棒，因為純鋰材料的陽極能夠引發(fā)危險的短路甚至起 火。相比之下，鎂作為陽極更加安全，因此陰極材料與鎂搭配會讓電池體積更小但儲存能力更強。
之前的研究使用計算機模型進行了預測，鎂鉻氧化物（MgCr2O4）是鎂電池陰極的理想候選材料。受其啟發(fā)，倫敦大學學院的研究人員通過一個快速的低溫反應獲得了一種5納米寬的無序鎂鉻氧化物。伊利諾伊大學的研究人員將這種材料與正常7納米寬的有序鎂鉻氧化物進行了鎂活性的比較。
他們借助一系列不同的技術檢測兩種材料在活性測試中的結構和化學變化。這兩種晶體材料的表現(xiàn)完全不同。倫敦大學學院教授Jawwad Darr解釋稱：“這表明未來的電池或許將依賴于無序的非傳統(tǒng)結構。這一研究的重要性在于，它能幫助我們了解其他存在結構缺陷的材料是否有可能應用于可逆的電池存儲技術。”
未來，該研究團隊計劃將他們的研究推廣到其他無序的結構材料上，以此確定未來能夠實現(xiàn)存儲容量的提升并且研發(fā)出一種實用的鎂電池。
