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    电能存储与转换技术研究的机遇与挑战

    发布: 江苏省硅酸盐学会 人气:63 次 时间:2024/4/1 11:36:03 关闭
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    电能存储与转换技术研究的机遇与挑战


       清洁高效的可再生能源技术是人类社会实现可持续、高质量发展的必由之路。电能存储技术是实现电网稳定与智能化、可再生能源的高效利用,以及电气化交通的关键技术。电能与物质之间的转换则是实现“双碳”目标与循环经济的重要途径。因此,基于材料电化学的电能存储与转换技术迎来了前所未有的机遇,在机理、关键材料、性能、器件等方面取得丰硕成果的同时,也面临一些重大挑战。
       动力电池是以电动车为代表的电气化交通的核心技术,能量与功率密度、安全与循环寿命是其关键性技术指标。锂离子电池是目前广泛采用的动力电池技术,近年来其性能提升与成本下降推动了全球电动车行业的迅速发展。锂金属电池以其高能量密度,被认为是未来提高电动车里程的技术。其中,锂金属-空气电池是一种激进的思路。笔者认为其正负两极的难点问题正是电能存储与转换技术研究目前所面临的“两朵乌云”:锂负极稳定沉积研究虽然在抑制支晶生长方面取得了进展,但仍无法避免高电流密度下的不可逆反应,所造成的锂金属与电解液的消耗仍是未解难题;空气正极缓慢复杂的ORR/OER(氧还原反应/析氧反应)造成严重的极化损失,从而制约了电池的能量效率。妥善解决这两个难题须依赖材料化学领域的范式转移,若能拨云见日,电能存储与转换将取得突破性进步,推动多项新技术的市场化应用,增进人类福祉。
        为寻求更安全、紧凑的动力电池,固态电解质近年来获得了广泛关注,但是纯固态电池仍存在锂离子电导率低、界面电阻过高以及稳定性差等技术难点,半固态电池成为兼顾安全与性能的折中方案。基于高浓度锂盐的水系锂离子电池可以同时具备高电压与高安全,但是这类电池电解液成本高,不利于规模化应用。考虑到锂资源的稀缺性与高成本,钠离子电池被视为潜在的替代技术,但是其能量密度、倍率与循环性能仍不甚理想,而且存在电压平台短和电芯一致性较差的技术难点,目前与成熟的磷酸铁锂电池相比在性能与价格上均无优势。
        燃料电池是电动车的另一技术方案,其全生命周期环境影响可能低于锂离子电池。近年来随着催化材料和膜材料的技术进步,其性能获得了迅速提升。氢燃料电池的主要技术难点在于储氢,直接甲醇燃料电池则存在功率较低和甲醇渗透的问题,二者同时还面临ORR反应缓慢与极化损失过大的问题,属于上文提到的第二朵乌云。
        随着可再生能源发电占比的迅速提升以及峰谷电价差的推广,供给侧与用户侧的电网储能需求在迅速增长。与动力电池追求高能量与功率密度不同,电网储能电池更加侧重低成本、高安全与长寿命,以铅酸电池为代表的水系电池以其高本质安全特性与较低成本,成为储能电池的良好选择。其他类型的水系电池研究近期获得了广泛关注,但是技术成熟度(TRL)均未达到市场化水平,例如,钠离子水系电池大都是电池-电容混合型,器件电压平台不明显;转换型电极则由于副反应的存在,往往表现出不甚理想的法拉第效率与能量效率,在低倍率情况下尤为严重。有学者基于循环经济的“再利用”思路提出“锂离子电池梯度利用”,建议将退役锂离子动力电池用于电网储能。但是,锂离子电池储能电站近年来发生过多次由热失控引发的火灾事故,由于锂离子电池的潜在危害性以及储能电站电池用量巨大,其安全隐患不容忽视。另外,还有学者提出用电动车电池存储谷电,在用电高峰期放电补充电网。笔者认为这一设想很不现实,因为电动车电池的充放电次数有限,用于电网储能会缩短电池使用寿命,而整车电池更换成本高昂,因此这种做法既不具备经济性,也会降低动力电池全生命周期环境效益。
        电解水技术是“氢经济”中至关重要的一个环节,氢气是一种用途广泛、绿色环保的能源载体和化工原料,电解水技术可以消纳谷电或“弃电”转换为“绿氢”。电析氢催化材料与反应器研究近年来均取得了显著的成果,阳极析氧材料仍是制约电解水效率和速率的瓶颈。近年来,随着民众对气候变化的日益关注以及各国减碳目标的设立,二氧化碳电还原(CO2RR)研究迎来了飞速发展。CO2RR在以往捕集-封存的策略上更进一步,将二氧化碳纳入循环经济模式,产出燃料或化工原料。国内外学者在反应机理、电极材料、电解质、产物选择性、反应器等方面都取得了丰硕的成果,并出现了一些示范性的中试生产尝试。作为一种重要的潜在减排方案,随着未来技术的进步(高效、高速率、高选择性连续稳定运行)和经济指标的改变(例如谷电和产物的市场价格),其商业化有望实现经济效益,成为实现“双碳”愿景的重要途径。作为电能-物质转换的重要手段,电催化/电合成技术近期在有机合成、合成氨与尿素、生物质转化等领域也取得了重要进展,但是离商业化应用仍有距离。
         电能存储与转换的技术成熟度往往取决于木桶效应中的短板,追求单一指标参数并无太大意义。例如,锂硫电池的循环寿命从最初报道的几次到现在的数千甚至过万次,但是,锂硫电池的实际应用需要同时做到高硫载量、贫电解液和与硫匹配的锂用量,否则就只是半电池研究,并非全电池。另外,一些研究为了解决某个问题引入了更多的其他问题,例如为了提高锂硫电池的循环寿命而大量使用吸附多硫离子载体的功能材料,虽然能起到作用,但是降低了电池的整体能量密度,这种解决一个问题的同时引入其他问题的做法类似于“打地鼠”效应。这一问题目前已经引起了学者们的重视,在论文发表时加入一个雷达图,全面体现电池的优势与短板,具备高技术成熟度的技术必须是全面消除短板的“六边形战士”。有的期刊出版商(如Wiley)也要求论文投稿时附上一份参数清单,以便全面评价和对比研究工作的意义。理想情况下,电池研究不仅应该消除短板,从整体出发提高技术成熟度,而且应该考虑从材料到器件层面的制造成熟度(MRL)。例如,超级电容器研究绝大多数采用水系电解液,但是商业超级电容器都是采用有机电解液,这主要是因为水系超级电容器没有廉价适用的商业化集流体材料,因此难以实现市场化。

     
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