石墨烯電池/燃料電池/空氣電池等熱門電池技術(shù)講解

　　電池是將化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)換為電能的一種裝作。具有穩(wěn)定電壓，穩(wěn)定電流，長時間穩(wěn)定供電，受外界影響很小，并且結(jié)構(gòu)簡單，攜帶方便，充放電操作簡便易行，性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，給現(xiàn)代社會生活帶來很多便利。

　　1800年，意大利科學(xué)家伏打（Volta）將不同的金屬與電解液接觸做成Volta堆，被認(rèn)為是人類歷史上第一套電源裝置。人類先后發(fā)明了鉛酸蓄電池、以NH4Cl為電解液的鋅—二氧化錳干電池、鎘-鎳電池、鐵-鎳蓄、堿性鋅錳電池和鋰離子電池等。隨著研究不斷深入，近年不斷出現(xiàn)新型電池。

　　| 燃料電池

　　燃料電池（Fuel Cell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。

　　氫-氧燃料電池反應(yīng)原理，是電解水的逆過程。

　　電極應(yīng)為：

　　負(fù)極：H2 +2OH-→2H2O+2e-

　　正極：1/2O2+ H2O 2e-→2OH-

　　電池反應(yīng)：H2+ 1/2O2==H2O

　　燃料電池涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動控制等學(xué)科的有關(guān)理論，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。

　　燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，沒有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，避免中間轉(zhuǎn)換的能量損失，因而能量轉(zhuǎn)換效率比較高。火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%，而燃料電池電能轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到45%～60%。另外，燃料電池電站占地面積小，建設(shè)周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，安裝地點(diǎn)靈活，十分方便。燃料電池?zé)o論作為集中電站還是分布式電站，或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨(dú)立電站都非常合適。負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高；燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率。

　　| 石墨烯電池

　　石墨烯電池，是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間能快速大量穿梭運(yùn)動的特性，開發(fā)出的一種新能源電池。

　　石墨烯（Graphene）是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨(dú)存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于目前已有的研究成果，最先實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會是移動設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。

　　應(yīng)用石墨烯材料制成的新型電池，尺寸和重量均將變小，而且能量儲存密度得到很大提高。更重要的是，它大大縮短了充電時間，方便了消費(fèi)者。美國俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動的特性，開發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數(shù)小時的充電時間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認(rèn)為，未來一分鐘快充石墨烯電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革新。

　　新型石墨烯電池實驗階段的成功，無疑將成為電池產(chǎn)業(yè)的一個新的發(fā)展點(diǎn)。電池技術(shù)是電動汽車大力推廣和發(fā)展的最大門檻，而目前的電池產(chǎn)業(yè)正處于鉛酸電池和傳統(tǒng)鋰電池發(fā)展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲能設(shè)備的研制成功后，若能批量生產(chǎn)，則將為電池產(chǎn)業(yè)乃至電動車產(chǎn)業(yè)帶來新的變革。

　　正是看到了石墨烯的應(yīng)用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用專利。歐盟委員會將石墨烯作為“未來新興旗艦技術(shù)項目”，設(shè)立專項研發(fā)計劃，未來10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費(fèi)。英國政府也投資建立國家石墨烯研究所（NGI），力圖使這種材料在未來幾十年里可以從實驗室進(jìn)入生產(chǎn)線和市場。

　　中國在石墨烯研究上也具有獨(dú)特的優(yōu)勢，從生產(chǎn)角度看，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國儲能豐富，價格低廉。另外，批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。利用化學(xué)氣相沉積法成功制造出了國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，并成功地將石墨烯透明電極應(yīng)用于電阻觸摸屏上，制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。

　　| 鈉硫電池

　　鈉硫電池，是一種以金屬鈉為負(fù)極、硫為正極、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池。在一定的工作度下，鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應(yīng)，形成能量的釋放和儲存。

　　一般常規(guī)二次電池如鉛酸電池、鎘鎳電池等都是由固體電極和液體電解質(zhì)構(gòu)成，而鈉硫電池則與之相反，它是由熔融液態(tài)電極和固體電解質(zhì)組成的，構(gòu)成其負(fù)極的活性物質(zhì)是熔融金屬鈉，正極的活性物質(zhì)是硫和多硫化鈉熔鹽，由于硫是絕緣體，所以硫一般是填充在導(dǎo)電的多孔的炭或石墨氈里，固體電解質(zhì)兼隔膜的是一種專門傳導(dǎo)鈉離子被稱為Al2O3的陶瓷材料，外殼則一般用不銹鋼等金屬材料。

　　鈉硫電池能量密度和轉(zhuǎn)換效率高，是一種能夠同時適用于功率型儲能和能量型儲能的蓄電池，自2003年起，日本和美國相繼建設(shè)了多個兆瓦級的鈉硫電池儲能電站。不過鈉硫電池的制造比較困難，對電池材料、電池結(jié)構(gòu)要求高，因此制造成本較高。鈉硫電池在使用時對運(yùn)行條件的要求苛刻，必須維持在300～350℃，需要附加供熱設(shè)備來維持溫度。另外，電池運(yùn)行的控制也比較困難，例如在線測量充放電狀態(tài)不能做到很準(zhǔn)確，必須周期性地進(jìn)行離線度量；安全性相對也稍差。由于鈉硫電池產(chǎn)品的制造比較困難，目前只有少量的鈉硫電池產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化。前幾年，上海市電力公司與中科院上海硅酸鹽研究所聯(lián)合開發(fā)出大容量鈉硫電池，其關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵工藝已取得重大突破，但是關(guān)鍵裝備和工業(yè)化生產(chǎn)仍存在巨大差距，國內(nèi)鈉硫電池儲能技術(shù)和應(yīng)用在短期內(nèi)還很難取得突破。

　　鈉硫電池具有許多特色之處：一個是比能量（即電池單位質(zhì)量或單位體積所具有的有效電能量）高，其理論比能量為760Wh/Kg。另一個是可大電流、高功率放電。其放電電流密度一般可達(dá)200-300mA/cm2，并瞬時間可放出其3倍的固有能量；再一個是充放電效率高。由于采用固體電解質(zhì)，所以沒有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的那種自放電及副反應(yīng)，充放電電流效率幾乎100%。當(dāng)然，事物總是一分為二的，鈉硫電池也有不足之處，其工作溫度在300-350℃，所以，電池工作時需要一定的加熱保溫。但采用高性能的真空絕熱保溫技術(shù)，可有效地解決這一問題。

　　| 空氣電池

　　鋰空氣電池是一種用鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極反應(yīng)物的電池。

　　放電過程：陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子（Li+），Li+穿過電解質(zhì)材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結(jié)合生成氧化鋰（Li2O）或者過氧化鋰（Li2O2），并留在陰極。鋰空氣電池的開路電壓為2.91 V。

　　新型鋰空氣電池在空氣中以0.1A/g的放電率進(jìn)行放電時，放電能約為9000mAh/g。以前的鋰空氣電池的放電能僅為700～3000mAh/g，可以說實現(xiàn)了能的大幅增加。另外，充電能也達(dá)到約9600mAh/g。如果使用水溶液取代水溶性凝膠，便可在空氣中連續(xù)放電20天，其放電能約為50000mAh/g，比原來約高10倍。由于鋰空氣電池的能量原本就比鋰離子電池約高10倍，因此使用新技術(shù)后共比鋰離子電池約高100倍。

　　雖然鋰空氣電池有明顯優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也很突出，距離大規(guī)模商業(yè)化還有一定距離。電池的反應(yīng)產(chǎn)物過氧化鋰及反應(yīng)中間的產(chǎn)物超氧化鋰都有較高的反應(yīng)活性，會分解電解液，因此幾個充放電循環(huán)后電池電量就會急劇下降，電池壽命較短；由于過氧化鋰導(dǎo)電性能差，充電時很難分解，需要很高的充電電壓，這還會導(dǎo)致分解電解液及碳電極等副作用。放電時，過氧化鋰會堵塞多孔碳電極，導(dǎo)致放電提前結(jié)束；充電時，鋰金屬負(fù)極表面會呈樹枝狀向正極生長，最終可能導(dǎo)致短路，存在安全隱患；鋰金屬與空氣中的水蒸氣、氮?dú)狻⒍趸级紩l(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致負(fù)極材料消耗，最終使電池失效。

　　| 飛輪電池

　　飛輪電池是20世紀(jì)90年代提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池 的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。

　　飛輪電池中有一個電機(jī)，充電時該電機(jī)以電動機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動下，電機(jī)帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉(zhuǎn)速從而增大其功能；放電時，電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機(jī)械能（動能）到電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)飛輪電池發(fā)出電的時，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降，轉(zhuǎn)速極高（高達(dá)200000r/min，使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)稱，飛輪電池比能量可達(dá)150W ·h/kg，比功率達(dá)5000-10000W/kg，使用壽命長達(dá)25年，可供電動汽車行駛500萬公里。美國飛輪系統(tǒng)公司已用最新研制的飛輪電池成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動轎車，一次充電可行駛 600km，由靜止到96km/h加速時間為6.5秒。

　　“飛輪”這一儲能元件，已被人們利用了數(shù)千年，主要是利用它的慣性來均衡轉(zhuǎn)速和闖過“死點(diǎn)”，由于它們的工作周期都很短，每旋轉(zhuǎn)一周時間不足一秒鐘，在這樣短的時間內(nèi)，飛輪的能耗是可以忽略的?，F(xiàn)在想利用飛輪來均衡周期長達(dá)12~24小時的能量，飛輪本身的能耗就變得非常突出了。能耗主要來自軸承摩擦和空氣阻力。人們曾通過改變軸承結(jié)構(gòu)，如變滑動軸承為滾動軸承、液體動壓軸承、氣體動壓軸承等來減小軸承摩擦力，通過抽真空的辦法來減小空氣阻力，軸承摩擦系數(shù)已小到10-3。即使如此微小，飛輪所儲的能量在一天之內(nèi)仍有25%被損失，仍不能滿足高效儲能的要求。

　　近年來，飛輪儲能技術(shù)取得突破性進(jìn)展是基于下述三項技術(shù)的飛速發(fā)展：一是高能永磁及高溫超導(dǎo)技術(shù)的出現(xiàn)；二是高強(qiáng)纖維復(fù)合材料的問世；三是電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展。

　　超導(dǎo)磁懸浮原理是這樣的：當(dāng)我們將一塊永磁體的一個極對準(zhǔn)超導(dǎo)體，并接近超導(dǎo)體時，超導(dǎo)體上便產(chǎn)生了感應(yīng)電流。該電流產(chǎn)生的磁場剛好與永磁的磁場相反，于是二者便產(chǎn)生了斥力。由于超導(dǎo)體的電阻為零，感生電流強(qiáng)度將維持不變。若永磁體沿垂直方向接近超導(dǎo)體，永磁體將懸空停在自身重量等于斥力的位置上，而且對上下左右的干擾都產(chǎn)生抗力，干擾力消除后仍能回到原來位置，從而形成穩(wěn)定的磁懸浮。若將下面的超導(dǎo)體換成永磁體，則兩永磁體之間在水平方向也產(chǎn)生斥力，故永磁懸浮是不穩(wěn)定的。

　　利用超導(dǎo)這一特性，我們可以把具有一定質(zhì)量的飛輪放在永磁體上邊，飛輪兼作電機(jī)轉(zhuǎn)子。當(dāng)給電機(jī)充電時，飛輪增速儲能，變電能為機(jī)械能；飛輪降速時放能，變機(jī)械能為電能。飛輪儲能大小除與飛輪的質(zhì)量（重量）有關(guān)外，還與飛輪上各點(diǎn)的速度有關(guān)，而且是平方的關(guān)系。因此提高飛輪的速度（轉(zhuǎn)速）比增加質(zhì)量更有效。但飛輪的轉(zhuǎn)速受飛輪本身材料限制。轉(zhuǎn)速過高，飛輪可能被強(qiáng)大的離心力撕裂。故采用高強(qiáng)度、低密度的高強(qiáng)復(fù)合纖維飛輪，能儲存更多的能量。目前選用的碳纖維復(fù)合材料，其輪緣線速度可達(dá)1000米/秒，比子彈速度還要高。正是由于高強(qiáng)復(fù)合材料的問世，飛輪儲能才進(jìn)入實用階段。