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【储能技术】电池将拯救世界

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摘要:【储能技术】电池将拯救世界

电池先驱惠廷厄姆说:“我们只懂了点皮毛”。随着世界为摆脱对化石燃料依赖做出的每个努力,电池很可能在我们日常生活中扮演越来越重要的角色,其中锂电池更甚。

未来电池能与汽油的存储能力竞争吗?

三年前,科学记者福哈德˙曼约奥(Farhad Manjoo)给美国网络杂志写了篇文章,称“更好的电池将拯救世界”,然而副标题却“反驳”大标题的说“太糟糕了,不可能做到”。尽管当时汽车领域刚刚推出特斯拉S、尼桑LEAF、雪佛兰Volt,并发布了大量新型混合动力和纯电动汽车,从箱型经济车到两款豪华的混合型保时捷。

曼约奥和其他人预见的问题是多方面的:(1)汽车电池非常昂贵;(2)“能源密度”(单位重量含能源的数量)似乎比汽油还相差甚远;(3)也许有危险——电池的新兴关键材料锂本身不稳定,在空气中化为粉末。一个问题是潮湿可能发生爆炸。另一问题是这种材料被“隔绝”,有可能发生“热击穿”——快速加热直至着火。所以,重要的是锂要保持冷却和干燥。

但最后这个警告恰好是锂为何成为有吸引力电池材料的原因:它危险的能源是巨大优势。因此,电池技术方面有个寂静的锂“冲刺”,一直并继续在真正地进步。近几年由于电池的进步,化石燃料汽车成为“审美”选择,不是经济的必要。我们的城市电网将变得更复杂,也更可预测、可靠和经济。

电池冲击

汽车电池从铅酸转向锂电池,镍镉手电筒转向手持锂离子设计,电池变得更加高效。没有锂离子电池,几乎一定不会有现在的“手机社会”。但走近大型设备如交通工具和电站之类、能拯救我们能源消费生命的场所,到处充斥曾经选定的优胜者如A123系统及其赞助商、菲斯卡尔业力(Fiskar Karma)汽车、莫里能源、Avestor、曾经给通用车队提供动力的Envia,全都亏损数百万并且勉强逃离起跑栅门。

如果说有人理解电池革命面临的挑战的话,那正是此人在上个世纪70年代末为埃克森(Exxon)石油公司发明锂离子电池拉开了应战的帷幕。正是史丹尼˙惠廷厄姆(M.Stanley Whittingham),现在纽约州北部宾汉吨大学的化学教授曾预言,“10年内,每辆车都会是混合动力或电动车。”

他认为有许多理由持乐观态度。举例说,大量资源正投入制造更好电池的技术挑战,从刚起步的小型电脑公司和专科学院到供应充足的大学如哈佛和斯坦福的实验室,还有美国主要的国家实验室,包括阿贡、劳伦斯利弗莫尔和圣地亚,以及德国、荷兰、法国、日本、韩国和中国大公司的实验室。

还有清晰而迫切降低人类发射温室气体的需要。取代化石燃料能源,电池将发挥很大作用。消费者显然需要可再生能源:例如电动和混合动力汽车销售正在强劲增长。

更好的电池提供两个大奖项:首先是负担得起的电动汽车,它是我们未来“移动社会”的支柱;其次是更灵活、分散的电力网,因为先进的固定式电池将以更低的价格保持我们家庭和工厂的电力供应。

结束“里程”焦虑

最初提议的电动和混合动力汽车是适度的,每次充电驱动里程在40-100英里(高价的特斯拉公司的电动汽车额定265英里除外),而且只在理想的条件下。然而,不久之后的第二代就能达到200英里。韩国大公司乐金化学(LGChem)给雪佛莱Volt和福特Focus供应电池组,据报道其更新的锂离子设计将于2016年使这些汽车的驱动里程达到200英里。特斯拉电动汽车公司主席和主要股东伊隆˙马斯克(ElonMusk)说,今年8月他的公司就在致力于新电池,要把公司汽车的驱动里程提升到500英里。

与此同时,电池的成本在下降。研究公司法维翰(Navigant)指出,五年前笔记本电脑电池的价格约为每千瓦-时1000美元,现今“价格接近每千瓦-时250美元”。2012年7月麦肯锡咨询公司(McKinsey˙Company)报道说,到2025年汽车用先进锂离子电池的价格将会从2011年的每千瓦-时500美元降到每千瓦-时160美元。法维翰公司说,到2020年电池的交易额将从今天的120亿美元上升到750亿美元。

不久的将来,电池汽车将在成本上与汽油动力汽车竞争。马斯克曾说,电池动力的“圣杯”是每公里-时100美元,他预料在“五到七年”内实现。特斯拉公司正在与日本松下公司共同努力在内华达州斯伯克斯建造50亿美元的“电池工厂”,制造先进电池,规模上有利可图。预计每年生产50万台电池组,使全世界锂离子电池产量翻番。

强大的比亚迪秦

电池有三个基本部件:两个电极,阳极(带负电荷)和阴极(带正电荷),以及中间的电解液(或俗称电池液)。发生的是化学反应,闭合电池回路(也就是接通灯开关),电子从阳极流出,通过电解液流入阴极,流过灯泡做功。离子流的方向相反。最终结果是中性状态,电池或者被废弃,或者再充电。

现在大多数汽车电池可再充电,而且用某种形态的锂作为一个电极,钴或碳作为另一个电极,氧化铝作为电解液。但研究人员渴望下一件“大事”是探索在电池技术上取得“从爬行到冲刺”的进展。某些重大进步展示出成功的希望,能源密度约为锂离子的三到五倍,按照理论上铂金标准,作为汽车的燃料甚至超过汽油。

最大胆的概念是锂-空气,摆脱传统金属作为阴极,用碳取而代之,彻底改造电池,抽取空气中的氧原子代替电解液中的氧化物。麻省理工学院(MIT)的一个团队提出纳米丝构成的阴极。这是一种非常微小、用单个原子建成的结构,实际上是由基因变异病毒制造的。这是个非常棘手的材料,实验室设计证实比典型的锂离子电池容量高二倍,而且再充电更快。

随着电池化学的进展,类似这样的新材料将成为关键。石墨烯即超薄(只有原子宽度那么厚)的单层碳,最初由两个俄罗斯科学家2003年在曼彻斯特大学制造(而且为此获得2010年度诺贝尔物理学奖)并开发为电极物质。它的坚强、柔韧和传导性令人惊讶,也能大规模便宜地制造,网上订货,每克5美元。在电池内,它能急剧减少充电时间,增大储能容量。出自西北大学和阿贡国家实验室、总部在美国密歇根州的XG科学和SciNode系统二者都在致力研究石墨烯电池。据SciNode说,它的阳极能提供比常规碳高三倍或更大的储存容量。据中国新华社报道,特拉斯公司也可能有个石墨烯项目。

坚持下去,“到天明”

与此同时,我们可能正接近“固定式储能”的黄金时代。无需移动的电池没有重量要求,意味着开发商能用较重、不那么独特和更便宜的材料。这样的电池提供后备电源使电网更可靠,而且避开峰值能源成本尖峰,搜集非峰值期可再生的风力发电机和太阳能电池板能源,因而价格低廉。

这种设计倾向反映对汽车所做的工作,但也有显着的例外。总部设在匹兹堡的阿奎昂能源(AquionEnergy)公司专门研究微电网、局部完整电源解决方案,包括边远地区太阳能、风能或其他可再生能源发电。它的先进电池成本大约等同老式铅酸蓄电池,但持续时间翻了一番。

在在麻省理工学院(MIT),唐纳德˙萨杜威(Donald Sadoway)和他的团队开发了持续很长时间的固态电池。据他们说,很容易按照比例放大。材料普通而且价廉,但设计是彻底创新的:完全保持液态,加速电子和离子交换,而且电池自身保持在高温下,依靠严格保温保持350℉或更高,但仍以75%的效率生产能源,比内燃机高一倍多。总部设在剑桥的AMBRI(原来的液态金属电池公司)正在制造这种电池,据说这种电池将延续几十年,性能几乎没有下降,即使完全放电,预计10000次循环容量仍为98%。这是巨大的成功。明年原型机发往四个州做现场测试。

此时的诀窍是与地方电力公司竞争费率,这种地方还没有先进的电池。如果只做“调峰”,在峰值需求期间给电网添加额外电力,此时的费率可能加倍甚至三倍(通常在午后),地方会很快亲自付款。

当然,还有很长的路要走。正如电池先驱惠廷厄姆所说,“我们只懂了点皮毛”。随着世界为摆脱对化石燃料依赖做出的每个努力,电池很可能在我们日常生活中扮演越来越重要的角色,也许有助于拯救地球。

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