了解由聯(lián)合儲能研究中心（Joint Center forEnergy Storage Research）為您帶來的新一代儲能技術(shù)的最新進(jìn)展。

鋰離子電池如今可能是最流行的技術(shù)，然而下一代儲能設(shè)備可能會比你想象更快出現(xiàn)，新設(shè)備將更安全、更持久。

實(shí)現(xiàn)可再生能源電網(wǎng)與長途運(yùn)輸業(yè)、水上運(yùn)輸以及航空運(yùn)輸?shù)戎匦瓦\(yùn)輸脫碳需要對電池進(jìn)行創(chuàng)新。領(lǐng)導(dǎo)創(chuàng)新的機(jī)構(gòu)包括美國能源部（DOE）聯(lián)合儲能研究中心（JCESR），該中心由DOE的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)。

JCESR科學(xué)家在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)室合作研發(fā)下一代電池。（圖片由阿貢國家實(shí)驗(yàn)室提供）

自2013年起，JCESR的研究人員在“超越鋰離子”領(lǐng)域發(fā)明了更加廣泛多樣的技術(shù)。他們主要專注于液流電池、鋰硫電池、多價(jià)離子電池以及固態(tài)電池，并獲得30多項(xiàng)專利，目前均已獲得許可。

阿貢材料工程師兼JCESR研究人員Brian Ingram說：“開發(fā)的知識產(chǎn)權(quán)組合闡述了我們對如何從原子水平上構(gòu)建可以相互作用的分子，創(chuàng)建穩(wěn)定性強(qiáng)并且有效的電池級材料的一些基本理解。”

為什么需要超越鋰技術(shù)？

所有電池都包含3個(gè)部分：陽極，電池的負(fù)極；陰極，電池的正極；電解質(zhì)，一種可以使電流或電荷在陽極與陰極之間流動的化學(xué)材料。

對于鋰離子電池來說，當(dāng)電池啟動時(shí)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致釋放出被稱為電子的帶負(fù)電粒子和被稱為鋰離子的帶正電粒子。鋰離子通過電解液從陽極移動到陰極。同時(shí)，來自陽極的電子穿過一條單獨(dú)的電路達(dá)到陰極，電子的運(yùn)動產(chǎn)生電流，為設(shè)備供電。當(dāng)這些電池再次充電時(shí)，離子和電子回到陽極，準(zhǔn)備重新開始循環(huán)。

雖然鋰離子電池非常有用，但也存在一些缺點(diǎn)。電池需要額外的物理保護(hù)來維持安全操作，但生產(chǎn)成本昂貴，并且在使用時(shí)長上也會受限。對下一代電池的研究專注于創(chuàng)造新的設(shè)計(jì)和材料，以克服這些限制，擴(kuò)大電池的用途。

氧化還原液流電池

尤其是在電網(wǎng)領(lǐng)域，氧化還原液流電池被認(rèn)為是超越鋰離子電池技術(shù)的。與能夠在短時(shí)間內(nèi)提供大量能量的鋰離子電池相比，液流電池更適合在更長時(shí)間內(nèi)提供較低的能量。

JCESR的研究揭示了制造液流電池的比現(xiàn)在更具能量密度和效率的方法。在他們的知識產(chǎn)權(quán)范圍內(nèi)，專利解決了現(xiàn)有液流電池和一種新興技術(shù)的非水液流電池的一些局限性。

多價(jià)離子電池技術(shù)

JCESR的研究人員發(fā)現(xiàn)的多價(jià)金屬電池是另一種新興技術(shù)。與鋰相比，多價(jià)金屬可以實(shí)現(xiàn)更高的電荷密度，而鋰只能具有一個(gè)電荷。

由鎂、鈣等多價(jià)金屬制造的陽極具有與鋰相匹配甚至超越鋰的能量密度的潛力，而且通常更加豐富，使得陽極的價(jià)格更加低廉，更可持續(xù)。為了促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，研究人員仍然需要克服一系列的科學(xué)挑戰(zhàn)。JCESR的知識產(chǎn)權(quán)，尤其解決了在多價(jià)電池中制造穩(wěn)定電解液的相關(guān)挑戰(zhàn)，這是長期保持性能所必需的。

Ingram表示：“這個(gè)空間中存在的電解質(zhì)只有在非常狹窄的條件下才穩(wěn)定。通過JCESR，我們已經(jīng)做了很多工作來擴(kuò)大穩(wěn)定性范圍。”

鋰硫電池

在運(yùn)輸方面，鋰硫（Li-S）電池是另一種超越鋰離子技術(shù)的電池，并且已經(jīng)展示出了巨大潛力。由于鋰硫電池的化學(xué)性質(zhì)，以及硫本身價(jià)格低廉，且比其他常見的陰極材料（如鈷、鎳、錳等）豐富，鋰硫電池可以以低于傳統(tǒng)鋰離子技術(shù)的成本存儲更多能源。然而，目前當(dāng)鋰硫電池放電時(shí)，可能會發(fā)生意外反應(yīng)，導(dǎo)致稱為多硫化物的材料在電池中積聚，從而縮短其循環(huán)壽命。

JCESR科學(xué)家們制定了應(yīng)對鋰硫電池這方面問題，以及限制技術(shù)研發(fā)的其他挑戰(zhàn)材料和工藝。他們的知識產(chǎn)權(quán)包括用于防止多硫化物材料在整個(gè)電池中擴(kuò)散的粘合材料專利，以及用于制造硫磺制成的陰極的專利。

阿貢化學(xué)家兼JCESR研究人員Lei Cheng表示：“硫在陰極中的分布是極其重要的。希望硫粒子是小塊的，這樣可以有更多發(fā)生反應(yīng)的界面。在我們的專利中，我們提出了以一種最大化的增加材料中界面或活性點(diǎn)數(shù)量的方式來制造硫的工藝。”

固態(tài)電池與鋰金屬電池

在延長電動汽車壽命的努力中，世界各地的科學(xué)家們都在研究固態(tài)電池。這些電池使用的是不易燃的固態(tài)電解質(zhì)，可以取代傳統(tǒng)電池中易燃的液體電解液。

通過更換液體電解液，使固態(tài)電池的穩(wěn)定性更高，因此安全性更高。特別是一種固態(tài)鋰金屬電池，具有高能量密度，與目前的汽車上使用的鋰離子電池相比，可以實(shí)現(xiàn)更大的續(xù)航里程以及更快的充電速度。

盡管固態(tài)鋰金屬電池具有潛力，但會形成一種稱為鋰針狀枝晶的分支，這會使電池壽命與安全性都受到限制。在他們的知識產(chǎn)權(quán)中，JCESR研究人員為他們的陽極提供了一種專利涂層，可以抑制樹枝晶的形成。此外，他們還開發(fā)了新的工藝和電池設(shè)計(jì)，以提高效率并延長壽命。總的來說，這項(xiàng)工作和他們在“超越鋰離子”領(lǐng)域展示了未來幾十年改善儲能的激動人心的機(jī)會。

中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會楊柳翻譯

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