比锂离子电池材料成本低15倍，“冻融电池”开创季节性存能新篇章

撰文 | Sueyl

编辑 | 郭郭

→这是《环球零碳》的第152篇原创

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

在春季的太平洋西北部，随着大风猛烈地吹过哥伦比亚峡谷，河流的水力发电水坝达到最大值，而这些能量必须立即使用或者最多存储几天。

为了维持电力的稳定，当地的电网运营商希望利用这种春季能源，将其存储在大型电池中，然后在该地区风势缓慢、河流水位低且电力需求达到顶峰时释放出来使用。

但如何实现呢？

美国能源部 (DOE) 太平洋西北国家实验室的科学家开发了一种小型设备，对于储存间歇性能源（如太阳能和风能）的能量特别有用。

科学家称之为“冻融电池”（“freeze-thaw battery”），旨在冻结其能量以进行长期储存，可以帮助平衡冬季电网与前一个夏季产生的能量。它能将能量冻结以备后用：在春季节省能源，并在秋季释放，是向可用于季节性存储的电池迈出的崭新一步。

来源：太平洋西北国家实验室

这种电池还将提高公用事业公司在严重风暴期间抵御停电的能力，从而在飓风、野火或其他灾难之后将大量能源输送到电网中。

研究人员表示，从理论上讲，如果可以有效存储任何季节性过剩的电力，可以在需要时重新分配，从而使得100%基于可再生能源的可靠和可持续电网成为可能。

为什么把这种电池成为“冻融电池”？它的工作原理是怎样的？《环球零碳》带你一探究竟。

01

利用大自然的能量

“冻融电池”原型很小，大约只有一个冰球那么大，但该设备背后的科学潜在用途是巨大的，它预示着来自间歇性能源的能量可以长期储存时代的到来。美国能源部太平洋西北国家实验室科学家的工作成果于3月23日在线发表在Cell Reports Physical Science杂志上。

“这很像春天在你的花园里种食物，把多余的食物放在冰箱冰冻室里，然后在冬天把它解冻作为晚餐。”该技术文章的第一作者 Minyuan Miller Li 说。

图片来源于网络

电池首先通过将其加热到 180 摄氏度进行充电，使离子流过液体电解质以产生化学能。然后，将电池冷却至室温，基本上锁定了电池的能量。电解质变成固体，穿梭能量的离子几乎保持静止。当需要能量时，电池被重新加热并且能量流动。

所谓的 “冻融”，是因为电池的电解质是熔盐——普通食盐的分子表亲。该材料在较高温度下为液体，但在室温下为固体。

我们都知道，电池在闲置时会自放电，像大多数汽车或笔记本电脑中的电池一样，快速放电率会阻碍用于存储数月能量的电池。而冻融概念有效避免了这一问题。

并且，与专为电动汽车、笔记本电脑或其他消费类设备供电的电池不同，冻融电池不需要持续数百或数千次循环。研究人员指出，为季节性储存而设计的电池可能每年只充电和放电一到两次。实验表示冻融电池在12周内保持了92%的容量。

换句话说，能量不会降低太多；它被保存起来，就像冰箱里的食物一样。

为这项工作提供资金的美国能源部电力办公室储能主任 Imre Gyuk 表示：“在纳入大量可再生能源时，更长时间的储能技术对于提高电网的弹性很重要。这项研究标志着向季节性电池存储解决方案迈出了重要一步，该解决方案克服了当今电池技术的自放电限制。”

图片来源：Shutterstock

02

避免使用稀有材料

冻融电池材料取自地球上丰富的常见材料。电池采用的铝镍熔盐，阳极和阴极分别是铝和镍的实心板，它们浸在熔盐电解质中，该电解质在室温下为固体，但在加热时会以液体形式流动。该团队将硫添加到电解质中，以提高电池的能量容量。

这样避免使用稀有、昂贵和高反应性的材料。 

冻融电池的最大优势之一是位于阳极和阴极之间的称为隔膜的组件构成。通常，熔盐电池在阳极和阴极之间使用陶瓷隔板来控制允许哪些分子通过，其制造成本更高，并且在循环期间容易破裂。

2018 年，麻省理工学院的一个团队展示了如何使用更耐用的钢网来代替。去年，桑迪亚国家实验室的一个团队还展示了一种更便宜的版本，它可以在远低于传统设计的温度下运行。

而冻融电池团队还选择了典型熔盐电池中使用的陶瓷隔板的替代品，用玻璃纤维代替，因为其电池的化学性质稳定，这可以降低成本并使电池在进行冻融循环时更加坚固。

“降低电池成本至关重要。这就是为什么我们选择了普通的、更便宜的材料来使用，以及为什么我们专注于去除陶瓷隔板，”领导该研究的通讯作者表示。

电池的能量存储成本约为每千瓦时23美元，这是在最近镍成本上涨之前测算的。该团队正在探索使用更便宜的铁，希望将材料成本降低到每千瓦时6美元左右，比当今锂离子电池的材料成本低大约15倍。

该电池的理论能量密度为每公斤260瓦时，高于当今的铅酸电池和液流电池。

研究人员表示，在众多竞争电池技术中，锂离子电池的成熟供应链和技术成熟度必将在不久的将来占据市场主导地位。然而，将不可避免地需要更经济的储能解决方案替代。虽然很难预测季节性储能的市场格局，但热循环下的熔盐电池无疑是我们拥有的最强大的可充电电池候选者之一，为可扩展的季节性存储指明了方向。

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参考资料：

[1]https://www.world-energy.org/article/24404.html

[2]https://www.world-energy.org/article/24326.html

[3]https://www.world-energy.org/article/24155.html

[4]https://eandt.theiet.org/content/articles/2022/04/freeze-thaw-battery-stores-electricity-long-term-for-seasonal-release/

[5]Li, Minyuan M., et al. "A freeze-thaw molten salt battery for seasonal storage." Cell Reports Physical Science (2022): 100821.

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