電池存儲(chǔ)方案采用凍融方法等

為電池儲(chǔ)能提供了新的方法，三項(xiàng)研究工作正在利用電子技術(shù)和材料科學(xué)來(lái)應(yīng)對(duì)儲(chǔ)能挑戰(zhàn)。

對(duì)于可再生能源，有效儲(chǔ)存電力勢(shì)在必行。這是因?yàn)樵S多能源的發(fā)電速度取決于環(huán)境。例如，太陽(yáng)能電池板在陽(yáng)光直射下會(huì)產(chǎn)生大量電力，但在雨天不會(huì)產(chǎn)生那么多電力。

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

在這篇文章中，我們將研究今年公布的三項(xiàng)此類電池存儲(chǔ)研究工作。

克服性能下降問(wèn)題

今年早些時(shí)候，美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(fù)充放電循環(huán)時(shí)出現(xiàn)的下降。

合成陰極材料的過(guò)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(yīng)變和應(yīng)力

合成陰極材料的過(guò)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(yīng)變和應(yīng)力。圖片由阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供

雖然目前鋰離子電池用于大多數(shù)情況，但阿貢實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，但研究小組發(fā)現(xiàn)了陰極制備過(guò)程中形成的材料缺陷。根據(jù)該小組的論文，通過(guò)X射線探測(cè)和透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)的這些缺陷會(huì)破壞電池的壽命，因?yàn)樗鼈冏罱K會(huì)導(dǎo)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(guò)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。快速下降會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變，研究小組通過(guò)觀察此時(shí)表面變得不那么光滑而發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

這成為更嚴(yán)重應(yīng)變的前兆，導(dǎo)致陰極循環(huán)過(guò)程中最終擊穿。發(fā)現(xiàn)當(dāng)陰極在高溫環(huán)境中循環(huán)或應(yīng)用快速充電時(shí)經(jīng)歷高應(yīng)變時(shí)，壽命會(huì)特別縮短。

這種研究使團(tuán)隊(duì)能夠在制造過(guò)程中解決這個(gè)問(wèn)題，使鈉離子電池既堅(jiān)固又節(jié)能，成本低。

熔鹽電池具有“凍融”能力

美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）開(kāi)發(fā)了另一種專門(mén)適用于可再生能源儲(chǔ)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(shí)解凍以供使用。

正如這部動(dòng)畫(huà)所示，長(zhǎng)續(xù)航電池可以用可再生能源充電，然后在未來(lái)幾個(gè)月需要時(shí)放電。

正如這部動(dòng)畫(huà)所示，長(zhǎng)續(xù)航電池可以用可再生能源充電，然后在未來(lái)幾個(gè)月需要時(shí)放電。圖片由美國(guó)能源部PNNL提供（點(diǎn)擊打開(kāi)動(dòng)畫(huà)gif）

對(duì)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(dòng)，而在室溫下，電解質(zhì)變成固體，離子幾乎停止移動(dòng)。

根據(jù)該團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《細(xì)胞報(bào)告》上的論文，這一過(guò)程允許人們控制何時(shí)使用能源以及何時(shí)節(jié)約能源。這是由于固體電解質(zhì)在閑置時(shí)不會(huì)自放電，因?yàn)樗軌蛟?2周內(nèi)保持92.3%的容量。

電池的陽(yáng)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(shí)，被稱為隔膜的電池組件通常由昂貴的陶瓷材料制成，由簡(jiǎn)單的玻璃纖維制成。

使用氮化硼提高導(dǎo)熱性

最后，但同樣重要的是，中國(guó)浙江大學(xué)的Yingying Lu領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種超快電池散熱方法。正如他們?cè)谘芯空撐闹兴忉尩哪菢?，在高能量密度和快速充電?yīng)用中，熱量會(huì)引起各種安全問(wèn)題。在這種應(yīng)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(fù)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(lái)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(fù)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(lái)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(diǎn)擊放大）

考慮到這一點(diǎn)，許多人開(kāi)始研究相變材料。其中一個(gè)特別感興趣的是石蠟，因?yàn)樗哂懈邼摕崛萘亢偷统杀尽Ｈ欢?，石蠟的?dǎo)熱性低，阻礙了該材料從電池有效傳遞熱量的能力。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入高度有序的六方氮化硼網(wǎng)絡(luò)，找到了一種將導(dǎo)熱系數(shù)提高八倍的方法，使導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1.86 Wm-1K-1。這種材料變化導(dǎo)致電池的表面溫度降低了6.9°C，在連續(xù)充放電過(guò)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(lái)說(shuō)，電池技術(shù)的這些進(jìn)步能夠使我們的電池更小、更具成本效益、更能長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存能量、更容易冷卻。這些都是朝著能夠維持我們計(jì)劃的綠色未來(lái)的電池邁出的重要一步。