電池存儲方案采用凍融方法等

為電池儲能提供了新的方法，三項研究工作正在利用電子技術(shù)和材料科學來應對儲能挑戰(zhàn)。

對于可再生能源，有效儲存電力勢在必行。這是因為許多能源的發(fā)電速度取決于環(huán)境。例如，太陽能電池板在陽光直射下會產(chǎn)生大量電力，但在雨天不會產(chǎn)生那么多電力。

這些可再生能源應用都需要電池能夠在更長的時間內(nèi)保持更多的電荷，這些要求正在推動研究人員走向電子和材料科學的前沿。

在這篇文章中，我們將研究今年公布的三項此類電池存儲研究工作。

克服性能下降問題

今年早些時候，美國能源部阿貢國家實驗室的一組研究人員宣布了一種新方法，可以克服電池在陰極反復充放電循環(huán)時出現(xiàn)的下降。

合成陰極材料的過渡電子顯微鏡圖像（左）。示意圖（右）顯示了分層陰極結(jié)構(gòu)中引起的應變和應力

合成陰極材料的過渡電子顯微鏡圖像（左）。示意圖（右）顯示了分層陰極結(jié)構(gòu)中引起的應變和應力。圖片由阿貢國家實驗室提供

雖然目前鋰離子電池用于大多數(shù)情況，但阿貢實驗室的研究小組在鈉離子結(jié)構(gòu)中看到了希望。這是由于許多因素，例如地球上豐富的鈉，降低了材料成本。由于電池能夠在高電壓（例如4.5V）下循環(huán)，與鋰離子電池相比，鈉離子電池的能量密度要高得多。

雖然這些電池有很多優(yōu)點，但研究小組發(fā)現(xiàn)了陰極制備過程中形成的材料缺陷。根據(jù)該小組的論文，通過X射線探測和透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)的這些缺陷會破壞電池的壽命，因為它們最終會導致陰極發(fā)生結(jié)構(gòu)地震。

材料上的這些缺陷出現(xiàn)在陰極合成過程中，材料的溫度升高到非常高的溫度，保持在那里，然后迅速下降?？焖傧陆禃е聭儯芯啃〗M通過觀察此時表面變得不那么光滑而發(fā)現(xiàn)了這一點。

這成為更嚴重應變的前兆，導致陰極循環(huán)過程中最終擊穿。發(fā)現(xiàn)當陰極在高溫環(huán)境中循環(huán)或應用快速充電時經(jīng)歷高應變時，壽命會特別縮短。

這種研究使團隊能夠在制造過程中解決這個問題，使鈉離子電池既堅固又節(jié)能，成本低。

熔鹽電池具有“凍融”能力

美國能源部太平洋西北國家實驗室（PNNL）開發(fā)了另一種專門適用于可再生能源儲存的新電池技術(shù)。4月，PNNL宣布了一種新型熔鹽電池，該電池具有“凍融”能力。這種功能允許電池凍結(jié)其能量使用，并在需要時解凍以供使用。

正如這部動畫所示，長續(xù)航電池可以用可再生能源充電，然后在未來幾個月需要時放電。

正如這部動畫所示，長續(xù)航電池可以用可再生能源充電，然后在未來幾個月需要時放電。圖片由美國能源部PNNL提供（點擊打開動畫gif）

對于電流，電池必須加熱到180°C，使電解質(zhì)變成液體，允許離子移動，而在室溫下，電解質(zhì)變成固體，離子幾乎停止移動。

根據(jù)該團隊發(fā)表在《細胞報告》上的論文，這一過程允許人們控制何時使用能源以及何時節(jié)約能源。這是由于固體電解質(zhì)在閑置時不會自放電，因為它能夠在12周內(nèi)保持92.3%的容量。

電池的陽極和陰極分別由地球上豐富的鋁和鎳以及另一種低成本材料硫制成。同時，被稱為隔膜的電池組件通常由昂貴的陶瓷材料制成，由簡單的玻璃纖維制成。

使用氮化硼提高導熱性

最后，但同樣重要的是，中國浙江大學的Yingying Lu領(lǐng)導的一個研究小組開發(fā)了一種超快電池散熱方法。正如他們在研究論文中所解釋的那樣，在高能量密度和快速充電應用中，熱量會引起各種安全問題。在這種應用中，正常的空氣和液體冷卻是不夠的。

此處展示的是一種h-BN/PW復合材料，其具有有序且相互連接的熱網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)來源于冰模板結(jié)合的冷凍干燥方法。

此處展示的是一種h-BN/PW復合材料，其具有有序且相互連接的熱網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)來源于冰模板結(jié)合的冷凍干燥方法。圖片由陸瑩瑩及合著者提供（點擊放大）

考慮到這一點，許多人開始研究相變材料。其中一個特別感興趣的是石蠟，因為它具有高潛熱容量和低成本。然而，石蠟的導熱性低，阻礙了該材料從電池有效傳遞熱量的能力。

該團隊通過引入高度有序的六方氮化硼網(wǎng)絡(luò)，找到了一種將導熱系數(shù)提高八倍的方法，使導熱系數(shù)達到1.86 Wm-1K-1。這種材料變化導致電池的表面溫度降低了6.9°C，在連續(xù)充放電過程中裸材料的溫度提高了2°C至5°C。

邁向更高效電池的重要一步

總的來說，電池技術(shù)的這些進步能夠使我們的電池更小、更具成本效益、更能長時間儲存能量、更容易冷卻。這些都是朝著能夠維持我們計劃的綠色未來的電池邁出的重要一步。