液流电池取代锂离子电池？距离商用还隔着一个石墨烯

2017-02-15 16:33

日前，美国哈佛大学的研究团队研发出了一种新型的液流电池。该团队表示，这种液流电池不仅可用于智能手机领域，还可被用于包括可再生能源在内的新型能源应用领域。
在移动时代，电池技术成为重中之重，甚至可以说没有电池就没有移动时代。然而，续航能力薄弱等问题存在于移动设备的电池中，电池技术的突破一直是尖端难题，从而制约了移动时代的进一步发展。所以研究人员一直在探索更加有效的发电能源，以期提升续航能力。
实际上，液流电池并非新技术，早在上世纪60年代就已经出现。与锂电池相比，液流电池确实有一些优势。然而，这项技术一直处于研发阶段，迟迟未能投入实际应用，其原因就在于自身的局限性。尽管遇到阻碍，但是探索仍要继续，人类一边使用相对稳妥的新型电池技术，一边也在不断寻找更加清洁的能源来提升电池技术。
一、液流电池特性决定优势，某些方面优于锂电池
哈佛大学的团队是由材料与能源科技教授Michael Aziz及化学与材料科学教授Roy Gordon所领导的。他们所研究的新型液流电池基于一种中性PH水溶液中的有机分子进行发电，其安全性与寿命皆优于目前的电池产品。
其实，液流电池领域并不算“荒地”，上世纪60年代，铁-铬体系的氧化还原电池就已经出现，可看作是全钒液流电池的前身。经过多年的研发，该技术已经取得了长足的进步，并有望投入商用。与锂离子电池相比，这种液流电池确实存在优势。
第一，其规模可大可小，设计灵活。
对于储能系统来说，最重要的因素是电量和功率。通常情况下，钒液流电池可承受的功率取决于电堆大小，而电量的多少则与储能罐的大小成正比。无论工程项目对储能系统提出怎样的要求，设计者都可以灵活地做出相应的设计并且能够随时进行调整。

液流电池示意图
反观锂离子电池，则是将储能材料涂在集流体表面形成电极，其工艺及性能都是固定的，很难根据具体项目进行调整。两相对比之下，液流电池的优势显而易见。
更重要的是，液流电池具有可扩展性。液流电池不管存储量如何，结构和控制方法几乎都一样，只要将储能电解液混合均匀，就可以保证SOC（充放电深度）一致。
如想制造同样规模的锂电池，则需要堆叠电池数量，同时运用极为复杂的BMS（电池管理系统）来管理每节电池的温度及SOC。稍有不慎，过充、过放、过热都会导致电池报废甚至引发危险，这也是为何智能手机电池有时会发生爆炸的重要原因。
第二，液流电池寿命长。
目前市面上的锂电池寿命约为1000~5000次。其主要储能原理是在固态电极上的嵌入和脱嵌，此种方式极易产生裂纹从而使电池寿命终结。
液流电池的充放电机理则是基于化合价的变化，而非普通电池的物理变化，故而使用寿命极长。而且全钒液流电池由于正负极之间隔着离子交换膜，避免了正负电解液因混合而发生交叉感染的可能，相较于其他液流电池寿命更长。
第三，液流电池安全性极高。
正如第一点中所提到的，液流电池的特性使其安全性能得以保障。无起火或爆炸隐患，即使遭遇大电流也不会有什么安全问题。
此外，液流电池能量效率高达75%~80%，启动速度只需0.02s，且电池部件多为廉价的碳材料，无需贵金属作催化剂。
目前，全球范围内生产全钒液流电池的企业主要包括美国UniEnergy Technologies公司、奥地利Gildemeister公司、日本住友电工公司以及中国大连融科储能技术发展有限公司。
其中，融科储能公司累计实现全钒液流电池装机容量超过12MW，占世界总装机量的40%，而且还拥有世界上第一套实际并网运行的5MW级大型工业储能装置。这意味着中国各项指标都处于国际领先水平。
尽管液流电池有如此多的优势，且有一定规模的生产和应用，但目前并未看到其大规模的投入商用和进入消费级市场，原因在于液流电池自身存在的局限性颇多。
二、液流电池迟迟未能商用，自身局限性较多
作为储能系统，液流电池在风电等大型储能领域尚处试验阶段，商用就更是难以企及。上文哈佛大学研究的新型液流电池亦处于研发阶段，可以先探究目前已有的液流电池中主要的钒系电池存在怎样的局限性。
从理论上来讲，钒的化合物可以作为添加剂，放入现有的锂电池中，这就类似于石墨烯的用途。然而，钒电池正极液中五价钒离子在温度高于45度的情况下，会析出一种名为五氧化二钒的剧毒物质。该物质的沉淀会堵塞流道，包覆碳毡纤维，恶化电堆性能，最终致使电池报废。更重要的是，五氧化二钒这种剧毒物质可能会造成严重的后果。
此外，全钒液流电池需投入极高成本。比如一个5千瓦的液流电池，共计需投入40.6万的主材料成本，还要额外投入次要材料及人力成本。
最后，液流电池能量密度极低，大概只有40Wh/kg，加之此类电池呈液态，因而占地面积大。
基于以上局限性，液流电池很难大规模应用，更难实现商业化。对液流电池的探索代表了人类不断寻找新能源的决心，只是目前这种技术还不够成熟。相比之下，石墨烯电池技术比较稳妥，已在智能设备中有所应用，而人类也在不断寻找更加清洁的能源用于发电。
三、稳妥的电池技术得以商用，未来存在更多可能
在当今的新兴电池技术中，石墨烯电池技术算是比较稳妥的。去年年底，华为在第57届日本电池大会上推出了首个应用了石墨烯技术的锂离子电池。这种电池借助了新型的耐高温技术，可将锂离子电池的上限温度提高10度，其使用寿命也达到了普通锂离子电池的2倍。

相比于尚处研发中的新型液流电池，石墨烯似乎更靠谱一些。当然，石墨烯本身也存在着一些局限性，但毕竟已经在智能设备中得以应用。因此就目前的情况来看，石墨烯会在下一阶段更多地被应用于提升电池技术之中。在电池技术发展的道路上，一蹴而就是行不通的，而通过稳妥的、成熟的技术逐渐进行过渡，应该会取得更好的效果。
当然，这并不是说电池技术领域可以为求稳妥而停滞不前。相反，为了使电池技术不再成为移动时代发展的阻力，应该更大胆地去利用一切可能利用的能源为电池技术的进步提供动力。现在已经有相关的研究，并且也取得了进展。
比如日前美国宾夕法尼亚大学的科研团队研制出了新的发电方法，利用化石燃料发电厂排放的二氧化碳与空气中的二氧化碳形成的浓度差发电。这种名为“流动单元”的装置产生的平均功率密度为0.82瓦/平方米，高于以前近似方法获得值的200倍左右。该研究成果已发表在最新一期的《环境科学和技术》杂志上。
无独有偶，芬兰科学家也在研究如何利用动能、热能及太阳能为设备供电方面取得了一些进展。研究人员研发了一种名为KBNNO的铁电材料，将热量及压力转化为电力。芬兰University of Oulu（卢奥大学）的研究人员则利用钙钛矿晶体结构从多个能量源中提取能量，并希望能够通过研究收集到更多的能量。
这种设备的制造过程并不复杂，一旦找到了最佳材料，在之后的几年就有可能将这一技术投入商用。如果这种设想得以实现，我们可能不必再将移动设备插入插座上充电，而是从自然能量中获得源源不断的电力，实现真正的能源清洁。
通过以上成果可以作乐观的预测，未来在电池领域将会出现更多的新技术，它们可以提升电池的利用率、续航能力等要素。在电池技术乃至任何一种技术的发展道路上，既需要稳妥成熟的前行，也需要大胆前卫的创新，二者结合才可能更好地推动移动时代的进一步发展。
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