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铁-空气电池取得新进展

作者:中国储能网新闻中心 来源:硅谷密探 发布时间:2021-09-04 浏览:

近年来越来越多新电池技术取得关键性进展,对锂电池的绝对霸权发起挑战。

2020年新能源公司QuantumScape已经制造出带有陶瓷层的固态电池,同其美国另一家创业公司Solid Power也生产出了多层固态电池。进入2021年后这一趋势更为明显,先是宁德时代发布了商用版本的钠离子电池,而近期电池初创企业Form Energy也公开了一项长时储能技术背后的电池技术——铁-空气电池,并表示铁-空气电池其表现超过了锂离子电池,目前已经接近商业化阶段。

金属空气电池

在Form Energy取得铁-空气电池关键性突破之前,铁-空气电池相较于火热的固态电池、钠离子电池更不为人所知,本质上铁-空气电池仍然属于金属-空气电池的分支。

金属空气电池是以金属为燃料,与空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能的一种特殊燃料电池。金属空气电池与常见的化学电池一样,也是由正极、负极、电解液三大部分构成,其中正极板由金属导电网、防水层、催化层压制而成,正极以空气中的氧气作为活性物质,在放电过程中,氧气在三相界面上被电化学催化还原为氢氧根离子。

金属空气电池的负极为金属,主要以电极电位较负的金属如镁、铝、锌、汞、铁等作负极材料;电解液有固定使用与循环使用两种方式,目前根据使用要求主要有KOH、NaOH、NaCI及海水。金属空气电池最突出的优点即其可以将高能量密度的金属负极与具备开放结构的活性空气正极材料相结合,节约成本,提高比能量密度。

不同种类金属空气电池的比能量

制作金属空气电池,可选用的原材料比较丰富。目前已经取得研究进展的金属空气电池主要有铝空气电池、镁空气电池、锌空气电池、锂空气电池等,其中锌-空气、铝-空气电池的应用范围最为广泛。

例如日本三洋公司已制出大容量的二次锌-空气电池,采用空气和电液受力循环的办法,研制出电压为125V容量为560A·h的牵引车用的锌-空气电池。再比如美国加利福尼亚州在使用铝-空气电池的电动汽车上,有过只更换一次铝电极行驶里程便达1600km,美铝加拿大公司和以色列公司Phinergy新展示的100公斤重的铝-空气电池也能储存行驶3000公里的电量……

除了比能量高外,金属空气电池还有一个优势——寿命长,一般的金属空气电池的可循环次数高达10000次,而当前主流的锂电池充放电可循环次数仅在3000左右,不过由于金属空气电池正极需要空气作为活性物质,故极易造成电解液的干涸从而影响实际使用寿命,但铁-空气电池突破了这一束缚。

铁-空气电池

宣布在铁-空气电池领域取得重大突破的是一家名为Form Energy的电池初创企业,据悉成立短短十年的Form Energy便得到了贝索斯、比尔盖茨等人的支持,至今已完成共计3.25亿美元融资。而在筹集了数亿美元并对十年的研究进行了改进之后,Form Energy在近期终于向向世界赠送了一个能源技术的圣杯。

铁-空气电池 概念图

将我们的社会过渡到清洁能源的最大挑战是太阳能和风能是不稳定的、断断续续的。太阳只在某些时候照耀,风只在某些日子吹拂。因此,我们需要一种方法来储存大量的能源,以便在那些没有风能和太阳能的荒芜时期为家庭和其他建筑物供电。到目前为止,我们已经将清洁能源储存在锂离子电池中,但这种能源储存方法有几个缺点。

锂离子电池可能具有较高的能量密度和效率,但它们是使用一些不同的元素,包括锂、钴、镍和锰,通过有害和复杂的提取方法从地球上开采出来。提取锂需要大量的水,在提取过程结束后会使富含锂的地区变得干燥。所需的众多元素意味着锂电池的存储成本为每千瓦时50-80美元,但它们可以持续工作的周期也就3000次(或10-15年)。

在锂电池的正常生命周期内,它们也容易发生危险的燃烧事件,由此产生的火灾可能难以扑灭。然而,到目前为止,它们最大的缺点是,它们每次只能向电网释放4小时的能量。鉴于每天有大约12个小时左右的时间为用电高峰的夜晚,以及可能跨越一周的风暴,4小时不足以满足能源需求。由于这个原因,我们的社会还不能依靠清洁能源。从来没有一个足够有效的储能系统,可以补充锂离子电池,使我们的社会完全转向清洁能源基础设施。

只是这一事实可能刚刚发生了变化。

铁矿石的颗粒在机器中加工

Form Energy公司公布的铁-空气电池的部分魅力在于它的简单性,只有两种常见的主要成分——铁和空气,因此被称为铁-空气电池。虽然铁的提取也会导致空气和水的污染,但铁-空气电池可以地完成充电放电周期可以长10000次,而锂的循环次数只有3000次(这相当于铁-空气电池可以使用30年,而锂只有10年)。铁在地壳中的含量也更多,使它的成本远远低于传统电池与其他金属空气电池所需的各种元素,其每个电池在每千瓦时的存储中只需花费价值6美元的材料,并且完全成型的电池系统的成本将低于每千瓦时20美元,使其总体上比锂离子电池便宜得多,Form Energy公司对其电池的最新评估认为其成本低至锂单元的十分之一。

但这还不是他们最令人兴奋的地方,Form Energy公司的创新在于其推出的铁-空气电池是一种固体电解质的静态电池,而不是使用电解液的液流电池,具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发的特性,同时能量密度也更有优势,钴酸锂的电解质溶液充电到4.45V,三元材料可以充电到4.35V便会被氧化,而固体电解质可达到5V,有利于提升电池系统的能量密度。

铁-空气电池是一个可充电150小时的系统,这意味着它们可以为电网提供超过6天的电力。我们的社会将最终拥有一个安全的、全可再生的电网,使我们能够完全脱离化石燃料发电厂。而且我们不必再等太久就能做到。Form Energy的下一阶段是向电网规模的发电厂发展,计划在2023年建立一个示范工厂,并在2025年将功能齐全的长寿命铁电池投入电网。已经有几家公用事业公司正在与Form Energy公司就部署其新电池进行沟通,这可能正是让美国实现到2035年实现无碳化的目标。

但是,铁-空气电池究竟是如何达到这一效果的呢?它是通过被称为可逆生锈的东西发生的。一个单一的大型电池单元可以包含10-20个电池堆。在这些电池中,有三个主要部分:阳极、阴极和电解质。这些是构成任何电池的主要部分,使其能够产生和储存电力。在这种情况下,阳极是由铁球组成的,而呼吸空气的阴极位于另一端。这两个部分都浸没在水基电解质中,允许进入的空气与铁发生反应。这个反应将铁氧化成氢氧化铁,在这个过程中释放出电子。然后,它进一步将铁氧化成铁锈--这个过程释放出更多的电子并为我们提供电力。所有这一切意味着,在放电过程中,铁锈会在阴极堆积,但在充电阶段,通过电池单元的电流会逆转反应,使氧气从铁锈中释放出来,铁又被还原了回来。

放电时暴露在空气铁丸子生锈,充电时电流通过除锈

铁-空气电池并不能取代锂电池,在很多情况下铁-空气电池并不合适,因为它们太过笨重,在要求轻便的领域,如手机、电脑,甚至电动汽车领域都不合适。铁-空气电池的真正用武之地还是在家庭、电网、数据中心等固定场景做电力储存,是我们向清洁能源过渡的最后一块。如果风能、太阳能、核能和地热能能够与锂离子电池一起提供我们80%的电力,那么最后的20%则又希望用铁-空气电池来解决。

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