储能的演变

作者：Alix Paultre，特约编辑

储存能量以驱动发动机或移动负载的能力已经存在了数千年。一旦引入了需要储能的电气系统，需要长期能量释放的应用并不多，因此最初对电池行业的压力并不大。机电系统中的大多数应用都涉及使用电动机作为大型燃料工业发动机的启动器。

不幸的是，早期的自主技术市场规模不足以要求主流解决方案，早期的机器人系统更多地是由液压驱动而不是电动驱动。例如，当时主要的自供电自主军事系统的外形尺寸可以处理所需的大量电池组，从潜艇到其中的鱼雷。直到消费设备在市场上激增，世界才发生了变化。

即使是消费类设备，一开始也并不需要大量的电池电量，因为早期的晶体管收音机和便携式唱盘对于该应用来说相对高效。此外，人们并不担心必须关闭设备。也就是说，直到个人电子革命，可以说是由 iPhone、iPod 和 iTunes 开始的。一旦人们沉迷于 24/7 全天候访问云，就没有回头路了。在工业和汽车方面，能源成本和里程焦虑帮助推动他们进入效率和功率密度的潮流。

危险的组合今天的每克电池比它们的祖先更强大。既然能量密度高到足以在灾难性故障情况下造成严重损坏，那么人们对包含电解质和确保系统安全的关注与关注其能量输出一样多。不能以稳定方式运行的电池是没有用的，热失控也没有听起来那么酷。

锂硫 (Li-S) 等下一代电池配方有望实现高达 500 Wh/kg 的能量密度，同时用更便宜且无毒的硫替代目前使用的锂离子电池正极材料。在Fraunhofer-Gesellschaft LiScell 联合项目的赞助下，使用新的阴极、电解质和阳极开发 Li-S 电池的研究也致力于可扩展的制造工艺（图 1）。

图 1：带有硅合金阳极的锂硫电池电极。©弗劳恩霍夫 IWS

该研究还致力于电池模块的构建以及以卷对卷箔形式制造阳极和阴极。Li-S 电池以其极低的材料成本和高能量密度而著称，其能量密度比迄今为止的锂离子电池高出 40%。

不幸的是，锂硫电池最大的问题是循环能力差。由于电解质侵蚀金属锂阳极的化学反应，电池只能处理 50 到 100 次充电/再充电循环。在弗劳恩霍夫 IWS 的锂硫和锂离子原型电池中实施了基于新型硅合金阳极的新电池设计。研究人员发现，Li-S 电池对过度充电和热应力具有更高的耐受性。

下一步涉及开发表征新电池技术老化过程的方法。还需要合适的经济和有效的制造工艺。该工艺涉及以卷对卷工艺将具有特殊微尺度结构的硅层沉积在薄真空涂层铜电荷收集膜的两侧。这些层是适用于锂硫电池和锂离子电池的负极材料，与传统解决方案相比，具有提高体积能量密度的潜力。

从更长远的角度来看，滑铁卢大学的化学家成功地解决了有关锂氧 (Li-O 2 ) 电池的一些最具挑战性的问题，创造了一个库仑效率接近 100% 的原型。该团队展示了四电子转换，这使 Li-O 2 /锂-空气电池的电子存储翻了一番。

高理论能量密度和低重量使其成为可充电系统的理想选择，但稳定性问题和其他问题使其无法成为主流。严重的问题涉及从内部降解电池的化学反应以及有机电解质的超氧化物消耗。研究人员使用更稳定的无机熔盐和双功能金属氧化物催化剂，发现通过在 150°C 下运行电池，会形成更稳定的 Li-O 2 ，而不是 Li 2 O 2，从而产生高度可逆的 Li -O 2 电池，库仑效率接近100%。

图 2：CCNY 开发的二氧化锰锌电池原型。图片：纽约市立大学能源研究所。

该技术使用嵌入铜离子的二氧化锰层状晶体结构，使其可充电至其理论容量 900 次以上。这一进步可以用锌阳极替代相对不安全和昂贵的锂离子电池。尚未跨越的最大障碍是相对较短的循环寿命，目前阻止它作为可充电电池商业化。

可充电的？可再填充？成为主流的更有趣的新电池技术之一是电解液流经电池并储存在电池外部。工作流体沿一个方向充电，然后被泵回充电。曾经昂贵得令人望而却步的新技术和材料方法已经使可行的回流电池成为可能。

这种技术的主要优点包括电池容量仅受储罐大小的限制。这种高水平的可扩展性使回流电池非常适合微电网和电网级储能应用，以及火车站的再生制动和储存来自风能和太阳能发电厂的多余能量。

Redflow Ltd.的大型电池（LSB）参考平台是证明回流电池可以为电网级应用提供服务的一个例子，该平台演示了一种模块化和可扩展的方法，可以将该公司的10 kWh ZBM2锌溴流电池部署到几乎任何需要的尺寸。该参考平台装在一个20英尺的集装箱中，可容纳多达45个ZBM2电池和六个12千瓦的Victron Quattro 48/15000电池逆变器/充电器（图3）。

图3:Redflow的大型电池（LSB）参考平台可处理敢达450 kWh的电量。图片：红流。

采用相关但略有不同的策略，redT储能系统基于钒氧化还原流动技术，将能量储存在液体中。使用钒电解液在离子交换膜上的流动产生可逆的电化学反应，例如允许能量储存和释放的电池。与先进的锂氧转化类似，该技术利用钒在四种氧化状态下存在的能力，每种氧化状态持有不同的电荷。

这项技术已经在实地部署。redT energy是Essentia电池存储框架的一部分，为英国公共部门提供能源存储解决方案。该公司还将为两个40兆瓦时电网规模的项目交付1000多台第三代坦克，并计划为奥地利和德国电网创建690兆瓦时的自动频率响应储备项目。

展望未来，这些和其他类似的进步也得到了新的硬件和软件进步的补充，充分利用了这些新方法的优势。基于宽带隙半导体的新组件、支持云的电源管理微控制器和新的电力电子拓扑结构也在通过提高连接到它们的负载的效率和智能来提高电池的性能。

驱动电子系统的电池技术与其所服务产品的任何其他方面一样重要，而下一代电池目前有望解决我们几乎所有的电力存储问题。然而，在我们发明出完美的电池之前，工程师将继续必须平衡尺寸、性能、可靠性、安全性和成本。

审核编辑 黄昊宇