石墨烯電池/燃料電池/空氣電池等熱門電池技術講解

　　電池是將化學反應產(chǎn)生的能量直接轉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，并且結構簡單，攜帶方便，充放電操作簡便易行，性能穩(wěn)定可靠的特點，給現(xiàn)代社會生活帶來很多便利。

　　1800年，意大利科學家伏打（Volta）將不同的金屬與電解液接觸做成Volta堆，被認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能直接轉化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。

　　氫-氧燃料電池反應原理，是電解水的逆過程。

　　電極應為：

　　負極：H2 +2OH-→2H2O+2e-

　　正極：1/2O2+ H2O 2e-→2OH-

　　電池反應：H2+ 1/2O2==H2O

　　燃料電池涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統(tǒng)及自動控制等學科的有關理論，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統(tǒng)，包括反應劑供給系統(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能轉化為電能，沒有像通常的火力發(fā)電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化，避免中間轉換的能量損失，因而能量轉換效率比較高。火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%，而燃料電池電能轉換效率能達到45%～60%。另外，燃料電池電站占地面積小，建設周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，安裝地點靈活，十分方便。燃料電池無論作為集中電站還是分布式電站，或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨立電站都非常合適。負荷響應快，運行質量高；燃料電池在數(shù)秒鐘內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，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。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)化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池領域。

　　應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。電池技術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用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關技術研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進而在工業(yè)、技術和電子相關領域獲得潛在的應用專利。歐盟委員會將石墨烯作為“未來新興旗艦技術項目”，設立專項研發(fā)計劃，未來10年內撥出10億歐元經(jīng)費。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入生產(chǎn)線和市場。

　　中國在石墨烯研究上也具有獨特的優(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。利用化學氣相沉積法成功制造出了國內首片15英寸的單層石墨烯，并成功地將石墨烯透明電極應用于電阻觸摸屏上，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極、硫為正極、陶瓷管為電解質隔膜的二次電池。在一定的工作度下，鈉離子透過電解質隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應，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構成，而鈉硫電池則與之相反，它是由熔融液態(tài)電極和固體電解質組成的，構成其負極的活性物質是熔融金屬鈉，正極的活性物質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電的多孔的炭或石墨氈里，固體電解質兼隔膜的是一種專門傳導鈉離子被稱為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、電池結構要求高，因此制造成本較高。鈉硫電池在使用時對運行條件的要求苛刻，必須維持在300～350℃，需要附加供熱設備來維持溫度。另外，電池運行的控制也比較困難，例如在線測量充放電狀態(tài)不能做到很準確，必須周期性地進行離線度量；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，其關鍵技術和關鍵工藝已取得重大突破，但是關鍵裝備和工業(yè)化生產(chǎn)仍存在巨大差距，國內鈉硫電池儲能技術和應用在短期內還很難取得突破。

　　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，所以沒有通常采用液體電解質二次電池的那種自放電及副反應，充放電電流效率幾乎100%。當然，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，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+穿過電解質材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結合生成氧化鋰（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，但缺點也很突出，距離大規(guī)模商業(yè)化還有一定距離。電池的反應產(chǎn)物過氧化鋰及反應中間的產(chǎn)物超氧化鋰都有較高的反應活性，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；由于過氧化鋰導電性能差，充電時很難分解，需要很高的充電電壓，這還會導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，導致放電提前結束；充電時，鋰金屬負極表面會呈樹枝狀向正極生長，最終可能導致短路，存在安全隱患；鋰金屬與空氣中的水蒸氣、氮氣、二氧化碳都會發(fā)生反應，導致負極材料消耗，最終使電池失效。

　　| 飛輪電池

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

　　飛輪電池中有一個電機，充電時該電機以電動機形式運轉，在外電源的驅動下，電機帶動飛輪高速旋轉，即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉速從而增大其功能；放電時，電機則以發(fā)電機狀態(tài)運轉，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能（動能）到電能的轉換。當飛輪電池發(fā)出電的時，飛輪轉速逐漸下降，轉速極高（高達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150W ·h/kg，比功率達5000-10000W/kg，使用壽命長達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速和闖過“死點”，由于它們的工作周期都很短，每旋轉一周時間不足一秒鐘，在這樣短的時間內，飛輪的能耗是可以忽略的。現(xiàn)在想利用飛輪來均衡周期長達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構，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，飛輪儲能技術取得突破性進展是基于下述三項技術的飛速發(fā)展：一是高能永磁及高溫超導技術的出現(xiàn)；二是高強纖維復合材料的問世；三是電力電子技術的飛速發(fā)展。

　　超導磁懸浮原理是這樣的：當我們將一塊永磁體的一個極對準超導體，并接近超導體時，超導體上便產(chǎn)生了感應電流。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。由于超導體的電阻為零，感生電流強度將維持不變。若永磁體沿垂直方向接近超導體，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。

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