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柒:液流电池
原理优势:液流电池的核心结构是被分离存储的正负极电解液以及用于正负极电解液进行反应的电堆。在循环泵的推动下,正负极电解液流经电堆处并发生反应,从而将化学能转化成电能。目前最常见的液流电池为全钒液流电池,其反应原理如下:
液流电池的电压普遍不高,如以上全钒液流电池的电压仅为1.26V,带来的好处就是可以使用水系电解液,进而大幅提高电池安全性能。此外,液流电池的循环寿命也很容易突破一万次,从而减轻环保、回收的压力。
液流电池的另外一个特点是储能的正负极电解液与反应的电堆是物理隔离的,这样的优势是可以独立设计电池系统的储能模块及反应模块。实际应用的话,我们可以在一辆车上装一套电解液提供系统,然后在每个车轮旁各装一个反应电堆,从而实现每个车轮的统一供能及独立控制(下面介绍的概念车,就具有这类功能)。
技术难点:液流电池的离子交换膜及高浓度电解液是开发的难点。整个电池系统需要管路、阀件、电解液循环泵、换热器等辅助部件,使液流电池结构颇为复杂,传统液流电池能量密度较锂离子电池也明显偏低。
动态前景:目前液流电池已小规模应用于储能领域;另外在几款新推出的纯电动概念车上,如亮相于今年日内瓦车展的QUANT48Volt,厂商也宣称其搭载了能量密度高于锂离子电池数倍的新型液流电池,并可以提供1000km的续航及300km的最大时速,但由于相关技术尚不成熟,目前产品还处于概念车试产阶段。
液流电池综合评定:
能量密度:★★★☆
综合性能:★★★★
环境友好:★★★
成本优势:★★
技术储备:★★☆
应用前景:★★★★
捌:锂硫电池
原理优势:单质硫完全得电子后的克容量高达1675mAh/g,以金属锂做电极的能量密度高达3860mAh/g,将二者结合:正极为硫单质、负极为金属锂,就形成了锂硫电池。其充放电进行的是金属锂与硫的氧化与还原反应:
由于正负极均具有颇高的克容量,因此锂硫电池的能量密度可以达到锂离子电池的两倍以上。硫在全球储量颇丰,因而硫锂电池相对于锂离子电池而言有着很高的成本优势。
技术难点:由于硫本身是绝缘体,因此为了保证锂硫电池的倍率充放电性能,正极中需要加入大量导电剂。硫在形成硫锂化成物的过程中,其生成的中间产物如Li2S8、Li2S6等并不稳定,会溶解乃至透过隔膜与负极金属锂反应从而降低电池容量(此被称为穿梭效应)。金属锂负极的枝晶问题目前尚无良好解决方案,这也会大幅降低电池的安全性能。
动态前景:锂硫电池的研究热度目前颇高,相关文献、专利数以万计,一些一线电池厂也早已开始存储锂硫电池技术以备后用。虽然电池研发热度很高,但是目前可以拿得出手的锂硫电池终端产品却凤毛麟角,其产业化的铺开乐观估计也需要5~10年。
锂硫电池综合评定:
能量密度:★★★☆
综合性能:★★☆
环境友好:★★★☆
成本优势:★★★★
技术储备:★★
应用前景:★★★★
玖:全固态电池
原理优势:在常规锂离子电池中,由电解液作为锂离子充放电迁移的载体,并需要隔膜将正负极隔开。而对于全固态电池而言,正负极之间的固态电解质同时起到了锂离子迁移途径及正负极隔绝板的双重作用。其工作原理与锂离子电池并无差异,都是通过锂离子在正负极嵌入和脱嵌而形成的摇椅电池。
由于全固态电池中不存在易燃的液态电解液,因而安全性能得以大幅提升,并且电化学窗口也不像锂离子电池一样狭窄,(仅考虑电解质的话)可以满足100度的充放电条件,固态电解质对金属锂枝晶的形成有一定抑制作用,负极使用金属锂会更为安全。固态电解质的分解电压也明显高于目前的电解液,电池电压突破5V也不再是梦。电池尺寸设计灵活,超薄电池、柔性电池乃至内串联电池都可以通过固态电池的形式实现。
技术难点:固态电池的最大难点在于固态电解质的电导率远低于液态电解质,从而大幅影响了固态电池的倍率性能。电池固态电解质的装配成本高昂,实验室级别的固态电池成本甚至达到了锂离子电池的百倍。
动态前景:锂电之父Goodenough带领的团队今年宣称其研发出的全新固态电池已在实验室完成了1200次循环、并可以在-20~60度的环境中正常使用,由于Goodenough的大名,这无疑让固态电池又火了一把。苹果公司在2012年就开始布局固态电池,并在两年前申请了一份关于固态电池系统管理的专利。这两项动态,在当时的朋友圈都流传颇广......
虽然固态电池的前景光明,但是目前的研发还主要处于实验室mAh级别电池的制备当中。江湖传言巴黎的共享汽车Autolib是全球第一款固态电池量产车型,但是在笔者查阅多方资料后,发现此报道并不足为信。
固态电池综合评定:
能量密度:★★★☆
综合性能:★★★☆
环境友好:★★★
成本优势:☆
技术储备:★★
应用前景:★★★★☆
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