电池的可负担性是利用风能和太阳能的关键

2019-04-13 11:22:16
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根据3月4日在线发表在化学评论杂志上的一份新报告,能源网用于储存风能和太阳能的未来电池必须可靠,耐用且安全,但实际上,经济实惠是普遍部署的关键。该报告是迄今为止对电化学能量储存最全面的评论之一。

在该报告中,能源部太平洋西北国家实验室的研究人员表示,成功的电化学能量存储系统(EES)系统需要发展 - 在某些情况下,相当大 - 如果他们要在经济上与自然成本竞争天然气生产。除了技术改进之外,系统还需要使用安全耐用的材料制造,以便电池可以运行超过15年,并且在其使用寿命期间只需要很少的维护。

该报告全面回顾了四种固定式储存系统 - 被认为是最有希望的EES候选储存系统:钒氧化还原流动,钠-β氧化铝膜,锂离子和铅 - 碳电池。在他们的研究中,PNNL研究人员注意到每种技术的潜力,但更重要的是,它解释了如果最终部署它们,每种技术必须取得的进展。

研究人员表示,继续改进电池技术对于降低成本和提高电池可靠性至关重要。

“通过改进EES技术,工业可以利用近乎无穷无尽的风能和太阳能供应,并大幅减少对化石燃料的依赖,以满足不断增长的电力需求,”Z. Gary Yang,PNNL实验室研究员和该论文的第一作者说。 。

Yang表示,经过进一步研究,可以降低这些电池技术的成本,提高性能,并在材料,化学,设计和系统工程方面取得进展。

如果没有先进的电池,必须在产生电力时使用风能和太阳能发电。目前最常用的电池系统通过将电能转换为动能或潜在能量,然后在需要时将能量释放回电网。但是这些系统,例如飞轮和泵送水力和压缩空气系统,具有诸如缺乏便携性之类的限制因素。

另一方面,电化学能量存储系统可以有效地将电存储在化学品中,然后根据需要将其释放。电化学能量存储系统的工作方式类似于传统的家用电池,但规模要大得多,并且使用各种材料,如碳,铝甚至盐。

与手电筒中的铅酸电池一样,储存风能和太阳能的电池在产生电能时会将电能转化为化学能,并以液体或溶液的形式储存。当需要来自电池的能量时,电荷开始将能量化学转换回电子,然后电子移回电网上的电力线。

钒氧化还原液流电池

钒氧化还原液流电池是一种可充电电池,其将电能存储在两个电解槽或导电的流体中。进行这项研究的研究人员表示,氧化还原液流技术可以作为备用能量储存的良好候选者,持续时间长达12小时,并且可以将风能和太阳能发电整合到居民区或几个大型工业场所。

当需要能量时,液体从一个罐泵送到另一个罐。在这个缓慢而稳定的过程中,来自电解质的化学能转化为电能。当需要储存能量时,过程就会逆转。电池可以存储的能量取决于罐的大小和它可以容纳的电解质的量。研究人员表示,如果可以制造各种尺寸,便携且价格合理的技术,该技术具有潜力。

钠-β氧化铝膜电池

钠-β氧化铝膜电池通常以管状设计制造,并且使用诸如硫与钠结合的元素,使用在电池核心内的氧化铝中分层的钠离子可逆地充电和放电。研究人员表示,电池显示出在很小的空间内储存大量能量的潜力,其高能量密度和快速的充电和放电使其成为电动汽车和其他需要短时间强力爆发能量的应用的候选者。

然而,材料昂贵并且存在电池的高操作温度的安全问题。PNNL的研究人员表示,改变电池的形状可以提高效率,降低工作温度和成本。事实上,PNNL和密苏里州乔普林的EaglePicher Technologies,LLC公司正在研究这些改进,作为DOE高级研究计划署 - 能源或ARPA-E计划的一部分。

锂离子电池

锂离子电池或锂离子电池最常见于家用电器和现在的电动汽车。锂离子电池将电能存储在各种化合物中,这些化合物由不同元素的层组成,例如锂,锰和钴。与其他技术相比,高能量和功率容量使锂离子电池成为电动汽车等交通应用的最有前途的选择。

研究人员表示,降低材料成本和提高安全性可以大大改善锂离子电池,并有助于加速电动汽车的渗透,电动汽车本身可以作为电网的后备存储。

在传统的锂离子电池中,带正电的锂离子通过液体电解质迁移,而电子流过外部电路,两者都从一侧来回移动。这种运动创造并储存能量。锂离子电池在手机和笔记本电脑等小型移动电子设备上取得了成功,但由于它们价格昂贵,容易过热并且容易导致电气短路,因此难以制造锂离子电池。科学家表示,虽然过去几年在改进技术方面取得了实质性进展,但仍需要做更多的工作来延长寿命,提高安全性并降低固定应用的材料成本。

铅碳电池

铅碳电池是一种不断发展的技术,由传统的铅酸电池组成,通常用于传统汽车和备用发电机。科学家们发现,通过在传统的铅酸电池中添加一点碳,它们可以显着延长电池的使用寿命。研究人员表示,铅碳电池可以作为风能和太阳能发电的可靠备用电源,因为它们集中供电。

在传统铅酸电池放电期间,硫酸与铅阳极和阴极反应产生硫酸铅。该过程在充电期间反转。这种转换会产生短暂而强大的能量爆发,例如启动车辆所需的能量。但随着时间的推移,由于电池核心内硫酸铅逐渐结晶和堆积,铅酸电池可能会失去电荷。腐蚀性的酸也会吞噬电池的核心。

向电池中添加碳似乎可以最小化或防止这种结晶发生,从而改善电池的循环寿命和整体寿命。研究人员表示,这项技术具有储存可再生能源的潜力,但需要更多的实地工作来了解这些限制 - 并找到降低成本的方法。该技术的资本成本保持在每千瓦时500美元,他们认为需要降低到每千瓦时150至200美元之间才能生存。

能源部的电力输送和能源可靠性,能源效率和可再生能源办公室,能源高级研究计划署(ARPA-E)以及PNNL指导研究和发展基金支持这项工作。

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