作者：Alix Paultre，特約編輯

儲存能量以驅(qū)動發(fā)動機(jī)或移動負(fù)載的能力已經(jīng)存在了數(shù)千年。一旦引入了需要儲能的電氣系統(tǒng)，需要長期能量釋放的應(yīng)用并不多，因此最初對電池行業(yè)的壓力并不大。機(jī)電系統(tǒng)中的大多數(shù)應(yīng)用都涉及使用電動機(jī)作為大型燃料工業(yè)發(fā)動機(jī)的啟動器。

不幸的是，早期的自主技術(shù)市場規(guī)模不足以要求主流解決方案，早期的機(jī)器人系統(tǒng)更多地是由液壓驅(qū)動而不是電動驅(qū)動。例如，當(dāng)時主要的自供電自主軍事系統(tǒng)的外形尺寸可以處理所需的大量電池組，從潛艇到其中的魚雷。直到消費設(shè)備在市場上激增，世界才發(fā)生了變化。

即使是消費類設(shè)備，一開始也并不需要大量的電池電量，因為早期的晶體管收音機(jī)和便攜式唱盤對于該應(yīng)用來說相對高效。此外，人們并不擔(dān)心必須關(guān)閉設(shè)備。也就是說，直到個人電子革命，可以說是由 iPhone、iPod 和 iTunes 開始的。一旦人們沉迷于 24/7 全天候訪問云，就沒有回頭路了。在工業(yè)和汽車方面，能源成本和里程焦慮幫助推動他們進(jìn)入效率和功率密度的潮流。

危險的組合今天的每克電池比它們的祖先更強(qiáng)大。既然能量密度高到足以在災(zāi)難性故障情況下造成嚴(yán)重?fù)p壞，那么人們對包含電解質(zhì)和確保系統(tǒng)安全的關(guān)注與關(guān)注其能量輸出一樣多。不能以穩(wěn)定方式運行的電池是沒有用的，熱失控也沒有聽起來那么酷。

鋰硫 (Li-S) 等下一代電池配方有望實現(xiàn)高達(dá) 500 Wh/kg 的能量密度，同時用更便宜且無毒的硫替代目前使用的鋰離子電池正極材料。在Fraunhofer-Gesellschaft LiScell 聯(lián)合項目的贊助下，使用新的陰極、電解質(zhì)和陽極開發(fā) Li-S 電池的研究也致力于可擴(kuò)展的制造工藝（圖 1）。

圖 1：帶有硅合金陽極的鋰硫電池電極。?弗勞恩霍夫 IWS

該研究還致力于電池模塊的構(gòu)建以及以卷對卷箔形式制造陽極和陰極。Li-S 電池以其極低的材料成本和高能量密度而著稱，其能量密度比迄今為止的鋰離子電池高出 40%。

不幸的是，鋰硫電池最大的問題是循環(huán)能力差。由于電解質(zhì)侵蝕金屬鋰陽極的化學(xué)反應(yīng)，電池只能處理 50 到 100 次充電/再充電循環(huán)。在弗勞恩霍夫 IWS 的鋰硫和鋰離子原型電池中實施了基于新型硅合金陽極的新電池設(shè)計。研究人員發(fā)現(xiàn)，Li-S 電池對過度充電和熱應(yīng)力具有更高的耐受性。

下一步涉及開發(fā)表征新電池技術(shù)老化過程的方法。還需要合適的經(jīng)濟(jì)和有效的制造工藝。該工藝涉及以卷對卷工藝將具有特殊微尺度結(jié)構(gòu)的硅層沉積在薄真空涂層銅電荷收集膜的兩側(cè)。這些層是適用于鋰硫電池和鋰離子電池的負(fù)極材料，與傳統(tǒng)解決方案相比，具有提高體積能量密度的潛力。

從更長遠(yuǎn)的角度來看，滑鐵盧大學(xué)的化學(xué)家成功地解決了有關(guān)鋰氧 (Li-O 2 ) 電池的一些最具挑戰(zhàn)性的問題，創(chuàng)造了一個庫侖效率接近 100% 的原型。該團(tuán)隊展示了四電子轉(zhuǎn)換，這使 Li-O 2 /鋰-空氣電池的電子存儲翻了一番。

高理論能量密度和低重量使其成為可充電系統(tǒng)的理想選擇，但穩(wěn)定性問題和其他問題使其無法成為主流。嚴(yán)重的問題涉及從內(nèi)部降解電池的化學(xué)反應(yīng)以及有機(jī)電解質(zhì)的超氧化物消耗。研究人員使用更穩(wěn)定的無機(jī)熔鹽和雙功能金屬氧化物催化劑，發(fā)現(xiàn)通過在 150°C 下運行電池，會形成更穩(wěn)定的 Li-O 2 ，而不是 Li 2 O 2，從而產(chǎn)生高度可逆的 Li -O 2 電池，庫侖效率接近100%。

圖 2：CCNY 開發(fā)的二氧化錳鋅電池原型。圖片：紐約市立大學(xué)能源研究所。

該技術(shù)使用嵌入銅離子的二氧化錳層狀晶體結(jié)構(gòu)，使其可充電至其理論容量 900 次以上。這一進(jìn)步可以用鋅陽極替代相對不安全和昂貴的鋰離子電池。尚未跨越的最大障礙是相對較短的循環(huán)壽命，目前阻止它作為可充電電池商業(yè)化。

可充電的？可再填充？成為主流的更有趣的新電池技術(shù)之一是電解液流經(jīng)電池并儲存在電池外部。工作流體沿一個方向充電，然后被泵回充電。曾經(jīng)昂貴得令人望而卻步的新技術(shù)和材料方法已經(jīng)使可行的回流電池成為可能。

這種技術(shù)的主要優(yōu)點包括電池容量僅受儲罐大小的限制。這種高水平的可擴(kuò)展性使回流電池非常適合微電網(wǎng)和電網(wǎng)級儲能應(yīng)用，以及火車站的再生制動和儲存來自風(fēng)能和太陽能發(fā)電廠的多余能量。

Redflow Ltd.的大型電池（LSB）參考平臺是證明回流電池可以為電網(wǎng)級應(yīng)用提供服務(wù)的一個例子，該平臺演示了一種模塊化和可擴(kuò)展的方法，可以將該公司的10 kWh ZBM2鋅溴流電池部署到幾乎任何需要的尺寸。該參考平臺裝在一個20英尺的集裝箱中，可容納多達(dá)45個ZBM2電池和六個12千瓦的Victron Quattro 48/15000電池逆變器/充電器（圖3）。

圖3:Redflow的大型電池（LSB）參考平臺可處理敢達(dá)450 kWh的電量。圖片：紅流。

采用相關(guān)但略有不同的策略，redT儲能系統(tǒng)基于釩氧化還原流動技術(shù)，將能量儲存在液體中。使用釩電解液在離子交換膜上的流動產(chǎn)生可逆的電化學(xué)反應(yīng)，例如允許能量儲存和釋放的電池。與先進(jìn)的鋰氧轉(zhuǎn)化類似，該技術(shù)利用釩在四種氧化狀態(tài)下存在的能力，每種氧化狀態(tài)持有不同的電荷。

這項技術(shù)已經(jīng)在實地部署。redT energy是Essentia電池存儲框架的一部分，為英國公共部門提供能源存儲解決方案。該公司還將為兩個40兆瓦時電網(wǎng)規(guī)模的項目交付1000多臺第三代坦克，并計劃為奧地利和德國電網(wǎng)創(chuàng)建690兆瓦時的自動頻率響應(yīng)儲備項目。

展望未來，這些和其他類似的進(jìn)步也得到了新的硬件和軟件進(jìn)步的補(bǔ)充，充分利用了這些新方法的優(yōu)勢。基于寬帶隙半導(dǎo)體的新組件、支持云的電源管理微控制器和新的電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也在通過提高連接到它們的負(fù)載的效率和智能來提高電池的性能。

驅(qū)動電子系統(tǒng)的電池技術(shù)與其所服務(wù)產(chǎn)品的任何其他方面一樣重要，而下一代電池目前有望解決我們幾乎所有的電力存儲問題。然而，在我們發(fā)明出完美的電池之前，工程師將繼續(xù)必須平衡尺寸、性能、可靠性、安全性和成本。

審核編輯 黃昊宇