电池储存方案采用冻融法等

对于可再生能源来说，有效储存电力是必不可少的。这是因为许多能源的发电速度依赖于环境。例如，太阳能电池板在阳光直射时会产生大量电力，但在雨天不会产生那么多电力。

这些可再生能源应用都要求电池能够在更长的时间内保持更多的电荷，而这些要求正将研究人员推向电子和材料科学的前沿。

在本文中，我们将考察今年公布的三项此类电池存储研究工作。

 

克服性能下降问题

今年早些时候，美国能源部阿贡国家实验室的一组研究人员宣布了一种新方法，可以克服阴极电池重复充放电循环时出现的电量下降。

 

合成阴极材料的过渡电子显微镜图像（左）。示意图（右）显示了引入层状阴极结构的应变和应力。图片由阿贡国家实验室提供

 

虽然目前大多数情况下都使用锂离子电池，但阿贡实验室的研究团队认为钠离子结构很有前景。这是由于许多因素造成的，例如地球上钠的丰富，降低了材料成本。由于电池能够在高电压（例如4.5V）下循环，与锂离子电池相比，钠离子电池具有更高的能量密度。

虽然这些电池有很多优点，但研究小组发现了在阴极制备过程中形成的材料缺陷。根据该小组的论文，这些缺陷是通过X射线探测和透射电子显微镜发现的，它们破坏了电池的寿命，最终导致阴极发生结构地震。

材料上的这些缺陷在阴极合成过程中出现，在阴极合成中，材料的温度升高到非常高的温度，保持在那里，然后迅速下降。快速下降会导致应变，研究小组通过注意到此时表面变得不那么光滑而发现了这一点。

这成为在阴极循环过程中导致最终击穿的更严重应变的前兆。当阴极通过在高温环境中循环而经历高应变时或者当应用快速充电时，发现寿命特别降低。

这种研究使团队能够在制造过程中解决这一问题，使钠离子电池能够像能量密集和低成本一样坚固。

 

熔盐电池具有“冻融”能力

美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）开发了另一种专门适用于可再生能源存储的新电池技术。4月，PNNL宣布开发一种具有“冻融”能力的新型熔盐电池。这种能力使电池能够冻结其能源使用，并在需要时解冻以供使用。

 

正如这部动画所示，长续航时间的电池可以用可再生能源充电，然后在未来几个月需要时放电。图片由美国国防部PNNL提供（点击打开动画gif）

 

对于电流，必须将电池加热至180°C，使电解质变成液体，允许离子移动，而在室温下，电解质变成固体，离子几乎停止移动。

这个过程可以控制何时使用能源和何时节约能源。根据该团队发表在《细胞报告》上的论文，这是因为固体电解质在闲置时不会自行放电，因为它能够在12周内保持92.3%的容量。

电池阳极和阴极分别由地球上丰富的铝和镍以及另一种低成本材料硫制成。同时，电池中被称为隔板的部件通常由昂贵的陶瓷材料制成，由简单的玻璃纤维制成。

 

使用氮化硼提高热导率

最后，但并非最不重要的是，由中国浙江大学的陆莹莹领导的一个研究小组开发了一种超快电池散热方法。正如他们在研究论文中所解释的，在高能量密度和快速充电应用中，热量会引起各种安全问题。在这样的应用中，正常的空气和液体冷却是不够的。

 

这里显示的是一种具有有序和互连的热网络的h-BN/PW复合材料，该复合材料来源于冰模板组合冷冻干燥方法。图片由陆莹莹及其合著者提供（点击放大）

 

考虑到这一点，许多人开始研究相变材料。其中一个特别令人感兴趣的是石蜡，因为它具有高潜热容量和低成本。然而，石蜡的热导率较低，阻碍了材料从电池有效传递热量的能力。

该团队能够找到一种方法，通过引入高度有序的六方氮化硼网络，将热导率提高八倍，从而使热导率达到1.86 Wm^-1K^-1这种材料变化导致电池的表面温度降低了6.9°C，在连续充放电过程中，裸露材料的温度提高了2°C至5°C。

 

迈向更高效电池的重大步骤

总的来说，电池技术的这些进步有能力使我们的电池更小、更具成本效益、更能长期储存能量、更容易冷却。这些都是朝着能够维持我们规划的绿色未来的电池迈出的一大步。