根據(jù)剛剛發(fā)表在Energy Storage Materials上的一項(xiàng)研究，一種新的電池設(shè)計(jì)可以幫助以較低的成本將可再生能源輕松整合到國(guó)家電網(wǎng)中，使用地球上豐富的金屬。由能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組證明，用低成本金屬鈉和鋁構(gòu)建的電網(wǎng)儲(chǔ)能電池的新設(shè)計(jì)提供了通往更安全、更具可擴(kuò)展性的固定儲(chǔ)能系統(tǒng)的途徑。

“我們證明，這種新型熔鹽電池設(shè)計(jì)具有比其他傳統(tǒng)高溫鈉電池快得多的充電和放電速度、在較低溫度下運(yùn)行并保持出色的儲(chǔ)能能力的潛力，”材料科學(xué)家李國(guó)盛說(shuō)。在 PNNL 和該研究的研究員?！芭c市售的高溫鈉電池技術(shù)相比，我們使用這種新的鈉基化學(xué)物質(zhì)在 100 °C ［212 °F］ 的溫度下獲得了類(lèi)似的性能，同時(shí)使用了地球上儲(chǔ)量更豐富的材料?！?/p>

提供更多儲(chǔ)能

支持這項(xiàng)研究的美國(guó)能源部電力儲(chǔ)能計(jì)劃辦公室主任 Imre Gyuk 指出，“這種電池技術(shù)采用低成本的國(guó)內(nèi)可用材料制造，使我們離實(shí)現(xiàn)國(guó)家清潔能源目標(biāo)又近了一步?！?/p>

此處顯示的并網(wǎng)電池從可再生能源中收集能量，可以通過(guò)智能電網(wǎng)技術(shù)按需將其能量輸送到電網(wǎng)。圖片：Sara Levine，太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

新型鈉基熔鹽電池使用兩種不同的反應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)此前報(bào)道了一種中性熔鹽反應(yīng)。新發(fā)現(xiàn)表明，這種中性熔鹽可以進(jìn)一步反應(yīng)變成酸性熔鹽。至關(guān)重要的是，這第二種酸性反應(yīng)機(jī)制增加了電池的容量。具體來(lái)說(shuō)，在高電流下進(jìn)行 345 次充電/放電循環(huán)后，這種酸性反應(yīng)機(jī)制保留了 82.8% 的峰值充電容量。

電池在放電過(guò)程中所能傳遞的能量稱(chēng)為比能量密度，用“瓦時(shí)每千克”（Wh/kg）表示。盡管該電池處于早期或“紐扣電池”測(cè)試階段，但研究人員推測(cè)它可能會(huì)產(chǎn)生高達(dá) 100 Wh/kg 的實(shí)用能量密度。相比之下，商用電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車(chē)中使用的鋰離子電池的能量密度約為 170–250 Wh/kg。然而，新的鈉鋁電池設(shè)計(jì)具有價(jià)格低廉且易于在美國(guó)使用更豐富的材料生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。

“通過(guò)優(yōu)化，我們預(yù)計(jì)比能量密度和生命周期可以達(dá)到更高和更長(zhǎng)，”李補(bǔ)充道。

新的鈉鋁電池設(shè)計(jì)只允許鈉（描繪為黃色球）穿過(guò)固態(tài)電解質(zhì)為電池充電。由廉價(jià)的地球資源豐富的材料建造，如鈉鹽和鋁棉，鋁制造的廢料，是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

鈉電池大顯身手

事實(shí)上，PNNL 的科學(xué)家與美國(guó)可再生能源先驅(qū) Nexceris 的同事合作組裝和測(cè)試電池。Nexceris 通過(guò)他們的新業(yè)務(wù) Adena Power，向 PNNL 提供了他們獲得的固態(tài)鈉基電解質(zhì)，以測(cè)試電池的性能。這個(gè)關(guān)鍵的電池組件允許鈉離子在充電時(shí)從電池的負(fù)（陽(yáng)極）側(cè)移動(dòng)到正（陰極）側(cè)。

PNNL 電池技術(shù) Vince Sprenkle 說(shuō)：“我們這項(xiàng)技術(shù)的主要目標(biāo)是在 10 到 24 小時(shí)內(nèi)以低成本每天將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)中，”他擁有 30 多項(xiàng)設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)。“這是一個(gè)點(diǎn)，我們可以開(kāi)始考慮將更高水平的可再生能源整合到電網(wǎng)中，以利用風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生資源提供真正的電網(wǎng)彈性?！?/p>

Sprenkle 是開(kāi)發(fā)這種電池的新型柔性設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的一員，該設(shè)計(jì)還將電池從傳統(tǒng)的管狀形狀轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄降?、可擴(kuò)展的形狀，隨著技術(shù)從硬幣大小的電池發(fā)展到更大的電池，這種電池更容易堆疊和擴(kuò)展網(wǎng)格規(guī)模的示范規(guī)模。

更重要的是，這種扁平電池設(shè)計(jì)允許通過(guò)簡(jiǎn)單地使用更厚的陰極來(lái)增加電池容量，研究人員在這項(xiàng)工作中利用它來(lái)展示在實(shí)驗(yàn)室條件下持續(xù)放電 28.2 小時(shí)的三倍容量電池。

大多數(shù)當(dāng)前的電池技術(shù)，包括鋰離子電池，都非常適合短期儲(chǔ)能。為了滿(mǎn)足 10 小時(shí)以上的儲(chǔ)能需求，需要開(kāi)發(fā)新型、低成本、安全且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的電池概念，超越當(dāng)前的電池技術(shù)。這項(xiàng)研究為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)提供了有希望的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模示范。

太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)研究如何將公用事業(yè)規(guī)模的太陽(yáng)能和電池存儲(chǔ)設(shè)施整合到其華盛頓州里奇蘭總部附近設(shè)施的電網(wǎng)中。他們?cè)谶@里監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)，以評(píng)估儲(chǔ)存可再生能源和將間歇性可再生能源并入電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。圖片：Andrea Starr | 太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

網(wǎng)格彈性主題的變體

存儲(chǔ)可再生能源產(chǎn)生的能量并按需將其釋放到電網(wǎng)的能力推動(dòng)了電池技術(shù)的快速發(fā)展，許多新設(shè)計(jì)都在爭(zhēng)奪注意力和客戶(hù)。每個(gè)新變體都必須滿(mǎn)足其自身利基用途的需求。一些電池，例如那些采用 PNNL 的凍融電池設(shè)計(jì)的電池，能夠儲(chǔ)存季節(jié)性產(chǎn)生的能量數(shù)月之久。

與季節(jié)性電池相比，這種新設(shè)計(jì)特別擅長(zhǎng) 12 至 24 小時(shí)的中短期電網(wǎng)儲(chǔ)能。它是所謂的鈉金屬鹵化物電池的變體。采用鎳陰極作為系統(tǒng)一部分的類(lèi)似設(shè)計(jì)已被證明在商業(yè)規(guī)模上是有效的，并且已經(jīng)可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到。

“我們已經(jīng)消除了對(duì)鎳的需求，鎳是一種相對(duì)稀缺且昂貴的元素，而不會(huì)犧牲電池性能，”李說(shuō)。“與鎳相比，使用鋁的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是鋁陰極充電速度更快，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)工作中展示的更長(zhǎng)放電時(shí)間至關(guān)重要?！?/p>

隨著這一里程碑的實(shí)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)正專(zhuān)注于進(jìn)一步改進(jìn)以增加放電持續(xù)時(shí)間，這可以大大提高電網(wǎng)靈活性，以更好地整合可再生能源。

PNNL 電池兼研究合著者大衛(wèi)·里德 （David Reed） 說(shuō)，由于它在較低溫度下運(yùn)行，因此可以使用廉價(jià)的電池材料制造，而不是像傳統(tǒng)的高溫鈉電池那樣需要更復(fù)雜、更昂貴的組件和工藝。

以更低的成本存儲(chǔ)更多的電網(wǎng)儲(chǔ)能

Sprenkle 說(shuō)，到 2023 年，使用鋰離子電池進(jìn)行電網(wǎng)儲(chǔ)能的儲(chǔ)能能力約為 4 小時(shí)?！叭绻覀兡軌蜻_(dá)到材料和制造的預(yù)期成本目標(biāo)，這個(gè)新系統(tǒng)可以顯著增加儲(chǔ)存的能量容量，”他補(bǔ)充說(shuō)。

作為研究的一部分，研究人員估計(jì)，基于廉價(jià)原材料的鈉鋁電池設(shè)計(jì)的活性材料成本僅為每千瓦時(shí) 7.02 美元。通過(guò)優(yōu)化和提高實(shí)際能量密度，他們預(yù)計(jì)可以進(jìn)一步降低成本。這種有前途的低成本、電網(wǎng)規(guī)模的存儲(chǔ)技術(shù)可以使風(fēng)能和太陽(yáng)能等間歇性可再生能源為國(guó)家電網(wǎng)做出更大的貢獻(xiàn)。

研究合著者、鈉固態(tài)電池制造商 Adena Power 總裁 Neil Kidner 正在與 PNNL 合作推進(jìn)鈉基電池技術(shù)。“這項(xiàng)研究表明，我們的鈉電解質(zhì)不僅適用于我們的技術(shù)，而且適用于鈉鋁電池設(shè)計(jì)，”他說(shuō)?！拔覀兤诖^續(xù)與 PNNL 研究團(tuán)隊(duì)合作，共同推進(jìn)鈉電池技術(shù)的發(fā)展?！?/p>