作者：Alix Paultre，特約編輯

儲存能量以驅動發(fā)動機或移動負載的能力已經存在了數(shù)千年。一旦引入了需要儲能的電氣系統(tǒng)，需要長期能量釋放的應用并不多，因此最初對電池行業(yè)的壓力并不大。機電系統(tǒng)中的大多數(shù)應用都涉及使用電動機作為大型燃料工業(yè)發(fā)動機的啟動器。

不幸的是，早期的自主技術市場規(guī)模不足以要求主流解決方案，早期的機器人系統(tǒng)更多地是由液壓驅動而不是電動驅動。例如，當時主要的自供電自主軍事系統(tǒng)的外形尺寸可以處理所需的大量電池組，從潛艇到其中的魚雷。直到消費設備在市場上激增，世界才發(fā)生了變化。

即使是消費類設備，一開始也并不需要大量的電池電量，因為早期的晶體管收音機和便攜式唱盤對于該應用來說相對高效。此外，人們并不擔心必須關閉設備。也就是說，直到個人電子革命，可以說是由 iPhone、iPod 和 iTunes 開始的。一旦人們沉迷于 24/7 全天候訪問云，就沒有回頭路了。在工業(yè)和汽車方面，能源成本和里程焦慮幫助推動他們進入效率和功率密度的潮流。

危險的組合今天的每克電池比它們的祖先更強大。既然能量密度高到足以在災難性故障情況下造成嚴重損壞，那么人們對包含電解質和確保系統(tǒng)安全的關注與關注其能量輸出一樣多。不能以穩(wěn)定方式運行的電池是沒有用的，熱失控也沒有聽起來那么酷。

鋰硫 (Li-S) 等下一代電池配方有望實現(xiàn)高達 500 Wh/kg 的能量密度，同時用更便宜且無毒的硫替代目前使用的鋰離子電池正極材料。在Fraunhofer-Gesellschaft LiScell 聯(lián)合項目的贊助下，使用新的陰極、電解質和陽極開發(fā) Li-S 電池的研究也致力于可擴展的制造工藝（圖 1）。

圖 1：帶有硅合金陽極的鋰硫電池電極。?弗勞恩霍夫 IWS

該研究還致力于電池模塊的構建以及以卷對卷箔形式制造陽極和陰極。Li-S 電池以其極低的材料成本和高能量密度而著稱，其能量密度比迄今為止的鋰離子電池高出 40%。

不幸的是，鋰硫電池最大的問題是循環(huán)能力差。由于電解質侵蝕金屬鋰陽極的化學反應，電池只能處理 50 到 100 次充電/再充電循環(huán)。在弗勞恩霍夫 IWS 的鋰硫和鋰離子原型電池中實施了基于新型硅合金陽極的新電池設計。研究人員發(fā)現(xiàn)，Li-S 電池對過度充電和熱應力具有更高的耐受性。

下一步涉及開發(fā)表征新電池技術老化過程的方法。還需要合適的經濟和有效的制造工藝。該工藝涉及以卷對卷工藝將具有特殊微尺度結構的硅層沉積在薄真空涂層銅電荷收集膜的兩側。這些層是適用于鋰硫電池和鋰離子電池的負極材料，與傳統(tǒng)解決方案相比，具有提高體積能量密度的潛力。

從更長遠的角度來看，滑鐵盧大學的化學家成功地解決了有關鋰氧 (Li-O 2 ) 電池的一些最具挑戰(zhàn)性的問題，創(chuàng)造了一個庫侖效率接近 100% 的原型。該團隊展示了四電子轉換，這使 Li-O 2 /鋰-空氣電池的電子存儲翻了一番。

高理論能量密度和低重量使其成為可充電系統(tǒng)的理想選擇，但穩(wěn)定性問題和其他問題使其無法成為主流。嚴重的問題涉及從內部降解電池的化學反應以及有機電解質的超氧化物消耗。研究人員使用更穩(wěn)定的無機熔鹽和雙功能金屬氧化物催化劑，發(fā)現(xiàn)通過在 150°C 下運行電池，會形成更穩(wěn)定的 Li-O 2 ，而不是 Li 2 O 2，從而產生高度可逆的 Li -O 2 電池，庫侖效率接近100%。

圖 2：CCNY 開發(fā)的二氧化錳鋅電池原型。圖片：紐約市立大學能源研究所。

該技術使用嵌入銅離子的二氧化錳層狀晶體結構，使其可充電至其理論容量 900 次以上。這一進步可以用鋅陽極替代相對不安全和昂貴的鋰離子電池。尚未跨越的最大障礙是相對較短的循環(huán)壽命，目前阻止它作為可充電電池商業(yè)化。

可充電的？可再填充？成為主流的更有趣的新電池技術之一是電解液流經電池并儲存在電池外部。工作流體沿一個方向充電，然后被泵回充電。曾經昂貴得令人望而卻步的新技術和材料方法已經使可行的回流電池成為可能。

這種技術的主要優(yōu)點包括電池容量僅受儲罐大小的限制。這種高水平的可擴展性使回流電池非常適合微電網和電網級儲能應用，以及火車站的再生制動和儲存來自風能和太陽能發(fā)電廠的多余能量。

Redflow Ltd.的大型電池（LSB）參考平臺是證明回流電池可以為電網級應用提供服務的一個例子，該平臺演示了一種模塊化和可擴展的方法，可以將該公司的10 kWh ZBM2鋅溴流電池部署到幾乎任何需要的尺寸。該參考平臺裝在一個20英尺的集裝箱中，可容納多達45個ZBM2電池和六個12千瓦的Victron Quattro 48/15000電池逆變器/充電器（圖3）。

圖3:Redflow的大型電池（LSB）參考平臺可處理敢達450 kWh的電量。圖片：紅流。

采用相關但略有不同的策略，redT儲能系統(tǒng)基于釩氧化還原流動技術，將能量儲存在液體中。使用釩電解液在離子交換膜上的流動產生可逆的電化學反應，例如允許能量儲存和釋放的電池。與先進的鋰氧轉化類似，該技術利用釩在四種氧化狀態(tài)下存在的能力，每種氧化狀態(tài)持有不同的電荷。

這項技術已經在實地部署。redT energy是Essentia電池存儲框架的一部分，為英國公共部門提供能源存儲解決方案。該公司還將為兩個40兆瓦時電網規(guī)模的項目交付1000多臺第三代坦克，并計劃為奧地利和德國電網創(chuàng)建690兆瓦時的自動頻率響應儲備項目。

展望未來，這些和其他類似的進步也得到了新的硬件和軟件進步的補充，充分利用了這些新方法的優(yōu)勢。基于寬帶隙半導體的新組件、支持云的電源管理微控制器和新的電力電子拓撲結構也在通過提高連接到它們的負載的效率和智能來提高電池的性能。

驅動電子系統(tǒng)的電池技術與其所服務產品的任何其他方面一樣重要，而下一代電池目前有望解決我們幾乎所有的電力存儲問題。然而，在我們發(fā)明出完美的電池之前，工程師將繼續(xù)必須平衡尺寸、性能、可靠性、安全性和成本。

審核編輯 黃昊宇