新型电池研究步伐加快 "储能革命"未有时

2013-04-09 17:52:56来源: 科技日报

    电池是一种极其重要的技术,现代生活离开电池将无法想象。但很多工程师认为目前电池的性能不尽人意,其性能依然具有很大的提升空间。如果能以合理的价格生产出性能更好的电池,不仅能使内燃机成为多余,而且也能使人类广泛利用风能和太阳能,引领人类进入零排放燃料时代。诚如此,确实将是一场绿色能源革命。然而,人类对这场革命的期待已经太久。期待时间越久,人们就越怀疑它是否会真正发生。

    2012年12月,美国成立的国家级“能源存贮研究联合中心”,希望能证明怀疑论者是错误的。该中心聚集了美国能源部下属的5个国家级实验室、5所大学和4家私营公司从事能源研究的顶尖科学家。时任美国能源部长朱棣文指出:“这是一个世界一流科学家和一流公司组成的合作团队,他们将确保世界最先进的电池技术在这里研发出来并在美国生产。”此举是继日本之后第二个由政府主导、产学研合作组建有形实体的国家级动力电池研发机构,是美国政府着力推动先进动力电池发展的一项重大举措。

    据《经济学人》杂志报道,该中心最近获得了美国能源部提供的1.2亿美元研究经费,其目标非常宏伟——在未来5年内使电池容量增加到5倍,成本降为五分之一。

    积极的探索方案

    克瑞斯·普佩克是美国阿尔贡国家实验室的一位工业化学家,他很坚定地在空中晃动着一个装有白色粉末的试管。普佩克的同事只需少量粉末,便能分析出它是否有潜力成为电池研究领域可采用的最新材料。普佩克博士的工作职责就是确定新材料是否具备转化为实际应用的潜力。简言之,就是发现具有合适属性的新材料用以制造价廉且能批量生产的电池,并将具有潜力的新材料转给工业界进行测试。他和同事们希望至少发现一种能引发一场革命的新材料。

    大多数电池——从最初用于发动汽车的笨拙铅酸蓄电池,到现在为电子书读写器、手表等提供动力的造型优美的小型锂电池——都必备三个部件:两个电极(阳极和阴极)和电解质(包括固态、液态和气态三种形态)。而开发新型电池的技巧,就是深入探究上述三个部件的材料,致力于优化电池性能和降低成本。普佩克手中的白色粉末就是此类新型材料中的一种。

    为了发掘更多的此类材料,阿尔贡国家实验室利用了麻省理工学院戈布兰德·辛德尔博士创立的、依然在不断扩展的物质百科全书——“材料计划”,该计划旨在建立一个可与谷歌相媲美的网络引擎,专门用于搜索各种材料的属性,能让来自大学、国家实验室和企业界的科学家共享信息,以促进新材料的研发。研究人员通过超级计算机描绘出各种无机化合物的属性,包括其稳定性、电压、电容和氧化状态等,并将这些结果建立数据库。截至2011年底,该数据库已经收录了1.5万多种无机化合物,而且每天还会吸纳数百种“新成员”。在探寻更优电极材料进程中,阿尔贡国家实验室将此计划作为“参考图书馆”,并希望能为它“增砖添瓦”。

    提高锂电池性能为主要目标

    作为目前最为成功的蓄电装置,已问世20多年的锂电池的用途非常广泛,目前已被成功应用于电动汽车、混合动力汽车甚至客机。然而,其最大缺陷是容易过热和燃烧。

    波音787梦幻客机是全球首款广泛使用锂电池的客机,今年1月遭遇数次故障。美国国家运输安全委员会的初步调查认定,该机型1月7日发生的电池起火事故,其原因是电池组的8个单电池,有一个发生多重短路,引发所谓热失控的化学反应,温度逐渐升高。短路也逐渐扩散到其他单电池,并导致起火。鉴于此,目前全球数十架波音787停飞,等待波音公司以及日本和美国政府的最终调查结果。2月初,波音公司提议对787梦幻客机的电池设计进行一系列更改,考虑增加锂离子电池单元格之间的间隔,以减轻电池内部热量和火蔓延的潜在风险,同时增加强化的热传感器

    针对由“材料计划”或者其他来源所提供的各种组合材料的首次测试,其目标是击败现有的锂电池。对全世界科学家而言,能够成功改进锂电池的性能将成为一项非凡的成就。

    最近被任命为能源存贮研究联合中心主任的乔治·克拉布特瑞认为,很快就需要在这方面进行改进。他认为目前科学家在改进锂电池性能方面业已取得很大成就,替换锂电池指日可待。该中心副主任杰夫·谢姆布莱恩对现有技术进展更有信心,认为在锂电池既定重量基础上,依然有可能将其储能容量增加一倍,成本降低30%—40%。

    那么,如果科学家使锂电池技术逐步趋于极限,是否能制造出真正与内燃机汽车相媲美的电动汽车呢?据全球著名的商业咨询公司麦肯锡公司估计,到2020年锂电池汽车将具有竞争力,但未来依然需要做大量工作。此外,科学家正在开发可与锂电池相媲美的其他各种新型电池。

    其中的领先者可能就是锂空气电池。这种电池的原理是,利用空气中的氧气作为电解质,从而减少电池自身重量,这意味着在理论上其能量密度非常大——这一点非常重要。与传统的石油燃料驱动汽车相比,电动汽车的主要缺点就是能量供给偏少,1公斤汽油所蕴含的能量(以焦耳为计量单位)是同等重量电池的6倍以上。设法降低该比率将使电动汽车更具吸引力。

    目前对锂空气电池的炒作力度很大,但需要研究人员耗费数年时间才能解决一些技术难题。锂空气电池充电困难且性能极不稳定,此外,为电池提供能量的化学反应存在自燃风险,因此,锂空气电池非常易燃,需要笨重的安全系统以防止其起火。

    幸运的是,能源存贮研究联合中心的研究人员有若干其他备选方案,多价离子电池便是其中之一。一个锂原子仅拥有一个可用于化学反应的电子,相比之下,镁原子拥有两个价电子,铝原子则有三个价电子。该中心张伯伦博士指出,从理论上讲,这意味着镁电池或者铝电池有可能获得两倍或三倍于锂电池的能量。虽然这些金属并不像锂那样轻,但它们额外的价电子可以增加其所存储的能量,这种特性将使它们可与石油相媲美。此外,镁和铝都比锂更便宜、更安全。然而,镁离子和铝离子在电池内部难以移动,这也是过去它们未曾被用于制造电池的原因。当然,该问题也是新型储能材料所必须解决的难题。

    与流体电池同行

    除了用于电动汽车,成功开发新型电池有望建立电网级能源存储方式,实现绿色储能。如果能建立成本低廉的电网级能源存储方式,从经济角度来说,它将能克服太阳能和风能发电的间歇性难题,引发风能和太阳能革命。为实现这一目标,阿尔贡国家实验室的研究人员目前正在开发流体电池。

    传统的电池是在两根固定电极中储存化学能的,而流体电池则将其储存在浸入电极,即液体电解质中。流体电池能够被制成规模庞大的电池单元,适合使用液体化学物质存储大量电能,因此可利用它们来采集风力涡轮机和太阳能模件所产生的多余电力,并储藏备用。流体电池是利用水基电解液,而水易于被分解的特性则限制了其发展潜力——它限制了流体电池的工作电压。利用有机电解液替代水基电解液将能克服这种缺陷,阿尔贡实验室的研究人员正在朝着这个方向不懈地努力。

    一个以电池为驱动力的世界,将实现经济体系的部分电气化(如交通运输业等),加快人类从使用昂贵的、污染环境的化石燃料逐步转向阳光等零成本燃料的进程。正如每种革命的宣言一样:新型电池所引发的将是一场无与伦比的革命。现在的问题是:革命必将发生,抑或现有电池仍将占据主导地位?

关键字:步伐  加快

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0409/article_6985.html
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