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锂离子电池产品并非完美无缺

说到锂离子电池大家肯定并不陌生,从能装进裤兜里的手机、行驶在路上的汽车,再到用于电网能量储存的基础设施都能见到它的身影。

目前,全球的锂离子电池产量已达到约160G瓦时的水平。这项革命性的技术使其三位主要开发者在2019年获得了诺贝尔化学奖。

然而,锂离子电池产品并非完美无缺。它价格偏高;有可能发生着火现象;依赖于越来越难以获得的材料,如钴和镍。

电池专家一致认为,总有一天会出现更好的电池。这说的有可能就是锂金属电池。

其实,锂金属电池算是锂离子电池的前辈。它于1970年代由时任艾克森石油公司的化学家的斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittingham,2019诺贝尔化学奖得住之一)开发出来。

金属锂作为电池材料的一大优势是,它很容易释放电子和带正电荷的锂离子。理论上,如果电池体积不变,在搭载锂金属电池的情况下,电动汽车的续航里程将提升一倍。

但事实证明,惠廷厄姆的设计难以商业化,原因在于锂有着高反应活性,通常锂金属箔与电解质会产生不良反应,从而导致电解质过热,甚至出现燃烧现象。另外,用来做阴极的二硫化钛也太贵。

一个3D孔的活性表面空间是一个2D电池的50倍

后来,惠廷厄姆和其他研究人员在锂中加入了石墨,以此来降低其反应活性,并用更便宜的材料替换了阴极。于是,我们现在常用的锂离子电池由此诞生。

带有锂金属阳极的电池就此被当成了锂离子电池发展道路上的一个有趣垫脚石。

不到十年前,来自麻省理工学院(MIT)的A123系统公司宣布破产,一定程度上是被这一不成熟技术拖了后腿,进而导致投资者对于电池技术的疑虑。

2013年1月2随着氢能如火如荼的发展,诸如“氢能的获取是有限的、困难的”“氢能是终极能源误导公众”“大规模用氢不切实际”等声音也逐渐被提出。这些负面呼声主要是基于目前氢能行业发展的一些现状提出来的,比如大化工厂制氢依然有排放导致氢气并不清洁、氢气压缩储存等环节造成的用氢成本高、用氢难及建设加氢基础设施的布局难等问题。

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虽然在氢能的发展中确实遇到了商业化难问题,但并不能否认“氢能是终极能源”。近日国际可再生能源机构发布了《氢能:可再生能源的前景》报告,肯定了氢能在未来能源结构中的重要价值,详细分析了氢能用于能源脱碳的潜力。报告还指出,氢能正在全球范围内快速发展,将在能源转型中发挥关键作用,此外,未来通过可再生能源制取的氢气(“绿氢”)将在全球能源转型中发挥核心作用,绿氢还有助于增加对可再生能源发电的需求。首先,发展氢能有助于应对各种关键的能源挑战。发展氢能可以为碳密集型部门(如交通运输、化工和钢铁等)提供极具发展潜力的脱碳方法。氢能还可以帮助改善空气质量并加强能源安全。此外,还可提高电力系统的灵活性。相比于储能,氢燃料电池在供电时间的可持续性及成本等方面具有非常明显的优势,完全可以保障灵活性的用电需求。其次,氢在供应和使用方面具有多种途径。氢是一种自由能源载体,可以由多种能源制备。常见工业生产氢的方式有水电解制氢、煤炭气化制氢、天然气及甲醇等水蒸气催化转化制氢等。除了大化工厂制氢方式,甲醇制氢在制氢的工艺上已实现了小型化,并可直接为燃料电池即时供氢。甲醇可以称之为氢能转化的最佳介质,其作为液体储存和运输的安全性和便捷性都是得天独厚的,其储氢重量密度高达12.5wt%,常温常压下的甲醇储氢要明显优于液化(多级压缩且冷却能耗巨大)、高压(安全性无法保证)和其他储氢技术。在我国缺油、少气、相对富煤的能源结构下,甲醇不失为一种可以缓解我国能源结构紧张、提高资源综合利用的替代能源。

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再次,发展氢能可以促进对可再生能源的利用。氢能可以帮助解决太阳能光伏等可再生能源的波动性输出问题,实现风光氢电互补。氢气是有效利用可再生能源的一种良好选择,并且有望成为最经济的方式,可在几天、几周、几月甚至几年实现不间断电力供应。在通讯基站电源的应用场景上,水氢产业联盟旗下企业广东能态科技有限公司已经实现了水氢发电机(甲醇重整制氢系统与燃料电池发电系统进行高度集成的发电设备)作为主供电源,长时间不间断为基站供电。未来水氢发电机将与太阳能光伏等间歇式能源进行匹配,实现水氢风光储互补供电,提供更好的供电解决方案。8日,在美国首都华盛顿,外国投资委员会(CIFUS)正式批准,同意万向集团收购A123。同样源自MIT的SolidEnergy接管了A123闲置的设施,随后开始以具备商业可行性的方式自主制造电池。

总部位于美国华盛顿州博塞尔的XNRGI公司也没有放弃这个选项,目标是要将锂金属电池商业化并打入主流澳客彩票平台APP。

该公司研发团队通过将金属锂沉积到涂有薄膜的硅衬底上,并蚀刻数以百万计的微小孔洞,成功地抑制了金属锂的反应活性。

与传统的锂离子二维阳极相比,金属锂电池的三维基底大大增加了阳极的表面积。“使用金属锂阳极的容量是传统石墨层间化合物的十倍。”XNRGI公司CEO克里斯·德库托(Chris D’Couto)说道。

该公司预计2020年开始批量生产锂金属电池,供应给制造电动车和消费电子产品的客户。

XNRGI还瞄准了电网存储澳客彩票平台APP。2019年,它与加拿大初创公司Cross Border Power签署协议,成立了一家合资企业,主要业务正是将其电池分销给北美的公用事业机构。

当然,关于新电池技术的新闻从来就没断过,其中不乏有人说自己的研究是“革命性的,可以颠覆整个澳客彩票平台APP”。但相对而言,在实验室里看起来很有前途的电池,到了真正投入澳客彩票平台APP时却少之又少。

“这取决于你要满足多少个指标。”阿贡国家实验室储能专家文卡特·斯里尼瓦桑(Venkat Srinivasan)解释说,“如果是用于电动车,理想的电池应满足续航里程为几百公里、充电时间以分钟为单位、工作温度范围广泛、使用寿命达10年、碰撞安全等条件。当然,成本也要降下来。”

“考虑的指标越多,让一项新的电池技术商业化就越困难,所以需要妥协。比如,想让电池使用10年以上,那行驶里程可能就有限,充电速度也不会很快。”他补充说,“还有一点是,行业只希望看到至少与现有电池一样好的产品。”

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