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未来可替代锂离子电池的10项电池技术

返回列表 来源: 发布日期: 2020.07.17

在过往的数十年时间中,锂电池的发明对推动社会发展起着很大的作用。但随着人们对电池有着更细分的要求,锂电池也暴露出来了不少缺点——高成本、原料问题、过热过高等。美国芝加哥的一家技术研究公司发表了一份报告,描述了未来可能将锂离子电池取代的电池技术,这些技术将对锂电池市场带来革命性影响的10项电池技术。


硅基电池 【Silicon-based batteries】

传统的锂离子电池使用的是石墨阳极,但是现在的研究者及相关领域的公司将目光集中于硅阳极。硅阳极束缚锂离子的能力是石墨阳极的25倍,不过这样的电池却有着更低的电导率,还有着低速率和大幅度波,在性能上会出现非常的不稳定。

当前有两种途径来解决这个问题:纳米技术:纳米尺度的Si阳极与传统硅阳极相比具有更大的表面积,由此可以改变循环寿命和保持稳定速率,并且还可以抵抗锂化和脱锂而不会开裂。

碳涂层使用纳米Si与不同形式的碳材料的组合来生成高性能Si / C纳米复合阳极。这个方向上掺有碳的多原子涂层剂被广泛关注,这种材料具有更强大的锂离子结合性能,因此具有稳定的导电性能和优异的电化学性能。硅基电池具有更低的价格和对汽车和手机更好的适应性,因此它的商业性转换非常火热。包括Sila Nanotechnologies,Enovix,Angstron Materials和Enevate,都在努力将Si主导的锂离子电池商业化。


室温电池【Room-temperature sodium sulfur (RT-NaS) batteries】

由于Na和Li的化学性质相似,钠硫电池成为了锂硫电池最受欢迎的代替品之一,作为一种前瞻性的电池代替方案,低成本的RT-NaS电池系统已经引起较为广泛的研究兴趣。
  • 可应用与大规模电网
  • 具有更高的安全性
  • 但是由于电池内部更为复杂,
  • 电池的容量较低

2018年已经开始使用的RT-NaS电池解决方案。麻省理工膜的解决方案由Sadoway博士领导的麻省理工学院研究人员专注于膜的解决方案。这样可以解决RT-NaS阳极和阴极组件之间β氧化铝陶瓷电解质膜的脆性和易碎性问题。他们证明,涂有氮化钛溶液的钢网可以作为工业规模储存系统的材料。这个方法为电池设计开辟了新的途径,并且它也可以应用于其他熔融电极电池。

卧龙岗大学电极设计澳大利亚卧龙岗大学的研究人员专注于电极设计。他们建立了一个有效的硫阴极,原子钴锚定在空心碳纳米球的微孔中。合成的阴极表现出优异的电化学性能。


nature上的最新研究科学家们使用一个多功能的碳酸盐电解质与高电化学性能材料用以达到更高的安全性。该方法可以应用于各种Na基可充电电池系统,以推进低成本和高性能的能量存储装置。
虽然RT-NaS电池仍处于早期开发阶段,但由Ambard博士(Sadoway博士领导的麻省理工学院衍生公司)等公司正致力于改善电池设计。通过上面讨论的研究工作和方法,下一代基于NaS的储能技术很快就会成为现实。

质子电池【Proton batteries 】

许多研究者致力于生产高性能质子交换膜(PEM)燃料电池。然而PEM燃料电池的可行性并不太被认可。

  • 高成本
  • 决定于氢气的运输和储存

RMIT大学的一组研究人员最近首次报道了质子电池的技术可行性。它由两部分组成:用于储存水中氢或质子的碳电极和用于从氢发电的可逆PEM燃料电池。

电池设计是其独创的,它使用活性碳作为电极,便宜、丰富且结构稳定,非常利于储存氢。并且多孔材料内的少量液体酸将质子传导到可逆电池的膜和从可逆电池的膜传导质子。使用这种电池,可以实现1.8V的电压。虽然相关研究已经对氢能源的利用迈出重要一步,但其商业化的路依旧很远。由于这些电池根本不需要锂离子,除了使用铂作为催化剂之外,其余材料便宜且丰富,因此可能成为目前锂离子电池的竞争者之一。

石墨双离子电池【Graphite dual-ion batteries 】
近些年,应用锂之外的金属材料双正离子充电电池(DIB)造成了大家对规模性固定不动电力工程储存的兴趣爱好。研究内容是根据提升电解质溶液的正离子成分和电级存储正电荷的工作能力来提升DIB的比能量。
NatureCommunications上的科学研究結果科学研究工作人员展现了一种应用高纯石墨负极和钾阳极氧化的新式无锂高纯石墨双正离子充电电池,称之为高纯石墨双正离子充电电池(GDIB)。科学研究結果发布在“NatureCommunications”上。科学研究工作组明确了DIB的无锂电级-电解质溶液组成,用于提升比能量。他数据显示能耗等级与锂电池非常。应用铝盐电解质溶液应用铝盐电解质溶液也是一种解决方法。而且能够 保证充电电池质优价廉,环境保护,具备优异的循环系统和速度特性,适用将来的储能技术运用。华南理工的科研成果在另一种有期待的DIB方式 中,华南理工的科学研究工作人员汇报了Zn/高纯石墨双正离子充电电池的开发设计。因为正离子电解质溶液具备很多吸引人的特点,包含抑止Zn表层上的孪晶产生,低挥发物,阻燃性和高耐热性,以致于用以工业生产运用的性能卓越和安全性的Zn/高纯石墨正离子充电电池将会迅速便会变成实际。


铝离子电池【Aluminum-ionbatteries】
铝已经变成锂电池的潜在性代替品,铝自身丰富多彩,便宜,容易得到和便宜。来源于苏黎世联邦政府理工大学的法国科学研究工作人员明确提出了二项新技术应用,这种技术性将有可能推动铝基充电电池的商业化的。
应用抗腐蚀镀层原材料
氮化钛(TiN)瓷器,TiN镀层原材料出色的空气氧化可靠性使这种充电电池可以得到 高效率能量相对密度,高库仑高效率和高循环系统工作能力。因为TiN集电器具备很好的耐蚀性,乃至能够 作为Mg,Na或Li正离子充电电池中的髙压负极原材料。
应用聚芘做为铝离子电池的性能卓越负极原材料另一个有期待的解决方法是应用聚芘做为铝离子电池的性能卓越负极原材料。这种充电电池一般 应用根据高纯石墨的负极,科学研究工作人员应用订制电池检测聚芘以及化合物聚(硝基芘-共聚物芘)做为负极原材料的实际效果,发觉其存储的动能与高纯石墨负极同样。除此之外,聚芘还为开发设计充电电池铝离子电池出示了很多的概率,包含成本低,高丰度,生产制造扩展性及其成份和构造可特性。这种科研成果显示信息出将铝离子电池商业化的的极大发展潜力,可作为该制造行业的便宜储存解决方法。

镍锌电池 Nickel-zinc batteries

镍锌电池是具有成本效益,安全,无毒,环保的电池,可与锂离子电池竞争储能。然而商业化的主要障碍是它们的循环寿命低。为了解决这个问题,大连理工大学的中国研究人员通过解决Zn电极溶解和抑制枝晶形成的问题,开发了一种突破性的原位切割技术,以提高Ni-Zn电池的性能。该团队开发了一种新型石墨烯-ZnO杂化电极,采用原位切割技术,可将石墨烯直接切割成短纳米带。强原子间相互作用将Zn原子锚定在石墨烯表面上。这种方法彻底解决了Zn电极溶解,枝晶形成和性能的问题。随着公司正在进行的研究和采用的方法,这些电池显示出电动汽车(EV)和能量存储的广泛商业应用的巨大潜力。


钾离子电池【Potassium-ion batteries 】

最近几年有许多的研究在不断突破去改善钾离子的电化学性能。来自不同机构的一组研究人员发现了一种新型蜂窝状层状化合物,其通式为K 2 M 2 TeO 6(其中M = Ni,Mg,Co等,或至少两种过渡金属的组合)。这些蜂窝结构的钾基tellurate化合物适用于高压阴极材料,能够将K离子插入离子液体中,使其成为高能KIB发展的理想选择。同样,卧龙岗大学的另一个团队开发了一种高性能KIB,其中含有少量硫化锑/碳化锑(SBS / C)阳极复合材料。其他一些可行的方法包括关注电解质和电极的协同组合以及开发合适的阳极材料以设计高性能KIB。

盐水电池【Salt-water batteries】

这些电池可适用于固定电力存储应用。为了开发这种潜力,瑞士材料测试研究所(Empa)的研究人员使用了一种特殊的盐,称为双(氟磺酰基)亚胺钠(FSI),它非常易溶于水。含盐液体可以在水合物中浓缩钠阳离子周围所有水分子,导致几乎不存在任何未结合的水分子。
该盐溶液显示出高达2.6V的优异电化学稳定性,是其他含水电解质的两倍。根据实验室数据,可以经受多次充放电循环。
同样,斯坦福大学的研究人员开发出了一种用于太阳能和风能储存的低成本又耐用的盐水电池。这些电池非常易于开发,因为它们仅需要硫酸锰、水、廉价的工业盐和用于催化反应的电极。此外,化学反应将电子储存为氢气以备将来使用,就这点而言它适用于电网规模应用。原型锰氢电池的性能可以扩大,并显示出高达10,000次循环的稳固性能和更长的使用寿命。在商业应用之前,电池正在获得研究人员的专利。它产生了很多工业利益,包括Aquion Energy在内的公司正在努力为电网级存储制造更便宜的电池。BlueSky Energy使用Aquion的盐水技术用于住宅太阳能存储。
尽管目前盐水电池的应用受到限制,但它们仍然具有几个优点,包括安全性,低成本和无毒性,用于固定式存储系统。

纸聚合物电池【Paper-polymer batteries】

纸基微生物生物电池因其价格低廉,环境友好且可自我维持而引起广泛关注。它们可以在生物传感器和未来的电子设备中有巨大的应用。但是,当前主要的限制是性能低下。最近,Seokheun Choi和一个科学家团队开发出一种由可生物降解的纸 - 聚合物基材设计的高性能微生物电池。纸的孔含有冷冻干燥的电细菌,其能够作为呼吸的副产物输出电子。为了进一步提高电气性能,该团队将可生物降解的聚合物混合物加入到纸张中。这些混合纸聚合物微生物燃料电池显示出增强的功率成本比,保质期约为四周,无需任何额外的调理或微生物。该技术正在申请专利,该团队正在寻求商业化的工业投资。设计优化的进一步改进可以为这些电池的使用提供更多功能,以用于许多其他应用。

镁电池【Magnesium batteries】

由于具有更高的能量密度容量,镁基电池在理论上可以与锂离子竞争。但是镁基电池不可再充电,因为可逆反应将会腐蚀性电解质,从而为Mg 2+离子形成屏障。
NREL的科学家们首次提出了可充电镁基电池的原型。它们在Mg阳极表面上生成了人造Mg 2+导电界面。保护Mg阳极的表面,同时使Mg / V 2 O 5燃料电池在含水的碳酸盐基电解质中可逆循环。该方法显着改善了镁基电池的电池性能。
在另一种方法中,麻省理工学院,伯克利和阿贡国家实验室的一组研究人员开发出一种固态材料,可以更快地传导镁离子,特别是在三元尖晶石硫属化物结构中。这种电池设计需要进一步的测试和研究才能进入商业化阶段。太阳能应用的前沿技术用于太阳能应用的电池需要超出低成本的若干特性。太阳能电池的容量和额定功率取决于电池的能量和功率密度特性。此外,诸如放电深度,整体寿命和电池效率等指标对于确定哪些化学品最终适用于哪些特定的应用至关重要。

虽然上面介绍的许多电池都处于开发的早期阶段,但它们可以为太阳能应用提供低成本的锂离子电池替代品,具有更长的使用寿命和更宽的温度范围。Ni-Zn,Mg,Al离子,NaS,石墨DIB,KIB,质子和盐水电池都可以发挥重要作用。这些是可回收的,并且是许多研究的主题。研究如何优化化学品使其没有有害的副反应。它们能为可再生能源存储提供了巨大的希望。例如BlueSky能源已经开始使用盐水电池用于住宅太阳能存储,其价格与锂离子电池相当。


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