建造一个更好的电池来储存风能和太阳能，能源行业将为你开辟一条新的道路

本文最初发表于昂西亚.

尽管风能和太阳能有许多优点，但它们都有一个主要缺点：在某个时刻，即使是在地球上风力最大、阳光最充足的地方，风也会停止吹动，太阳发出的能量也会消失在地平线上。因此，随着世界努力通过减少对煤炭、天然气和石油的依赖，并增加对电网使用这些可变可再生能源，使其能源供应脱碳，有一项技术正在经历复兴：固定电池。

简言之，固定式电池是一种利用材料间的化学相互作用将电储存在固定位置以备日后使用的装置。这些电池使储存发电量当太阳和风达到峰值时，以便在电力需求达到峰值时，如人们下班回家后打开灯、空调或暖气、电视和厨房电器时，将其提供给电网。

大多数现代电子产品用户和电动汽车车主所熟悉的电池种类是锂离子电池。麻省理工学院（MIT）和数据、系统与社会研究所（Institute for Data，Systems and Society）能源研究副教授杰西卡•特拉西克（Jessica Trancik）表示，锂离子电池在固定式电池市场上也占据主导地位，主要是因为锂离子电池作为一种技术存在的时间更长，成熟的时间更长。

随着开发更大规模电力存储的激励措施增加，以及更好的电池存储技术的商业案例变得明显，大量创新正在发生。

但仅仅因为锂离子电池常用于消费电子产品和电动汽车，这并不一定意味着它们是在依赖可再生能源的电网中储存电力. 如今的锂离子电池有其风险、成本和局限性。虽然它们可能是电池市场上的第一批产品，但它们很快将面临来自各种替代品和修正案的激烈竞争，这些替代品和修正案的目的是在更高的安全性和必威体育2018. 随着开发更大规模电力存储的激励措施增加，以及更好的电池存储技术的商业案例变得明显，大量创新正在发生。

锂离子101

锂离子电池由石墨电极和锂基电极（最常见的是锂钴）浸入液体中组成。当电池使用时，带电的锂原子（离子）通过液体从石墨电极流向锂基电极，而这种带电粒子的流动产生电能。当电池充电时，电流反向流动，将锂离子送回石墨阳极，在那里储存起来准备放电。

Li-ion于1991年首次在索尼摄像机上商业化亮相。自那以来，它的用途已经扩展到各种各样的小型和大型电子设备、电动汽车、军事和航空航天应用以及大规模的能源储存，例如为支持南澳电网2017年。

“从它能产生的电压来看，锂确实是一个冠军，”材料工程师和墨尔本迪肯大学前沿材料研究所高级研究员。锂能很好地驱动强大的电子流，因此发电效率很高，因此迄今为止提供了最好的电池材料。

然而，锂离子电池也有其缺点。它们含有有毒、易挥发和易燃的液体，这使它们因起火或爆炸而臭名昭著。锂是一种有限的资源。近年来，对这种所谓的“白色石油”的需求猛增一个预测预计到2025年，需求量将从2019年的每年30万公吨增加到每年至少110万公吨另一个这表明，到2025年，电池生产将消耗全球70%的锂供应。

这就提出了一个问题，即是否可以用更便宜、更丰富的元素来代替锂。

近年来，对该矿可开采性的担忧导致价格飙升，但随着锂矿数量增加一倍，还没人说要用完这些东西. 然而，在西藏和玻利维亚等地，人们对锂开采和开采的环境成本越来越感到担忧稀缺的水资源正被用来开采这种矿物从广阔的盐滩上报告当地的西藏水源受到采矿业有毒副产品的污染。

不仅如此，钴——许多锂离子电池中的另一个基本元素——也是一种冲突矿物。世界上至少一半的供应是在刚果民主共和国开采的，那里的一些工人——包括儿童——面临着骇人听闻的危险条件。

固态

普林格尔说，降低锂离子电池火灾风险的一个选择是使用离子液体——熔点低的不可燃熔盐——作为液体成分。一个更吸引人的想法是使用固体，它可以避免挥发性和易燃液体的问题。但取而代之的是，带电原子在固体中的移动不像在液体中那样自由和容易，因此产生的电更少。

在固态固定电池领域，一些早期的竞争者包括那些用富锂陶瓷制成的电池，以替代目前使用的液体。但这并不能避免锂的其他问题，比如锂的有限可用性以及与采矿相关的司法问题。

这就提出了一个问题，即是否可以用更便宜、更丰富的元素来代替锂。人们对硅、钠、铝和钾等元素特别感兴趣。但这些金属的电化学电位低于锂，因此电池的能量密度可能会降低，普林格尔说。

钠硫

钠硫电池是以熔融钠和熔融硫为电极，电解液为固体的电池，具有高效、长寿命等优点，是一种很有前途的大规模储能方式。一个挑战是这些电池需要在非常高的温度下工作。但包括麻省理工学院和澳大利亚卧龙岗大学在内的研究机构的研究人员正在调查钠硫选择在室温下运行的可能性。

现在还很早，特别是对于固定式能量储存来说，但这是一个非常重要的领域，我想人们已经开始意识到这一点。

流动电池

流动电池是大规模风能和太阳能固定存储的领跑者之一，它由两罐液体组成，这些液体进入电化学电池。流动电池与传统电池的主要区别在于，流动电池将电储存在液体中，而不是电极中。它们比锂离子稳定得多，寿命更长，而且液体不那么易燃。不仅如此，只要为液体建造更大的储液罐，流动电池就可以扩大规模。

一种流动电池，钒流动电池，已经可以在商业上买到。50兆瓦钒流电池是有计划的在澳大利亚南部城市奥古斯塔港储存能源，中国正在建设世界最大的钒流电池，预计2020年上线。有两个主要的缺点：液体可能很贵，所以电池的前期成本更高；流动电池的效率不如锂离子电池。

大量创新

Trancik说，在这个领域还有很多其他的发展，这使得电池研发成为一个令人兴奋的时刻。

例如，墨尔本RMIT大学的研究人员正在研制质子电池它的工作原理是将水转化为氧气和氢气，然后利用氢气为燃料电池提供动力。世界上其他几个研究小组正在探索使用诸如电极用石墨和钾以及铝盐液体来携带带电离子。中国的研究人员正在研究改进现有技术镍锌电池，成本低、安全、无毒、环保，但寿命不及锂离子电池。工作甚至与盐水电池，其中一个设计已经用于住宅太阳能存储。

Trancik说：“现在我们看到了更多的激励因素，我们看到了锂离子电池成本的下降，我们看到了固定式储能市场受益于电动汽车的增长。”现在还很早，特别是对于固定式能源储存来说，但这是一个非常重要的领域，我想人们已经开始意识到这一点。”