电池储能技术，充电电池的工作原理和电池技术介绍

由技术支持工程师Stavros Skourakis审查（2024年4月）

随着世界转向可再生能源并解决能源匮乏的问题，新的电池技术对于可再生能源储存变得至关重要。化石燃料虽然副作用大，但提供了便利的储存方式。然而，电池技术在能源储存方面面临重大障碍，但该行业正在创新和试验以克服这一问题。

电池含有金属和化学物质，用于储存势能，以便日后转化为电能。其他类型的能量储存中也有类似的原理：燃烧木材和氧气以释放它们存储的化学反应势能作为热量，或者压缩柴油燃料，使其与空气中的氧气发生反应释放热能。

电池技术各有不同，但它们通常包含两块金属片（电极），中间由可以导电的材料（电解质）和电解质内的多孔隔板隔开。当电路连接电极时，这就产生了电压差，从而使电子以电流的形式流动，形成电能。

在两个电极中，阳极发送电子，而阴极（不同类型的金属）接收这些带电粒子。这是因为电解质与阳极反应，将电子释放到电路中，并将阳极材料溶解到电解质的溶液中。与此同时，阴极接收来自电路的电子，并从其与电解质的反应中新形成的材料中得到新的固体材料。

当电极没有更多的材料与电解质交换时，电池就会被耗尽，电流停止流动；化学物质已经耗尽了其储存的势能。

要实现完全净零排放的气候友好型发电，将需要在能源储存技术方面进行大规模创新。现有的电力网是将电力从发电机立即传输到终端用户。这在使用诸如风能或太阳能等可再生能源时更加复杂，因为它们的供应不稳定。这就需要在电动汽车电池和电网规模上使用可再生能源存储，这就带来了一系列挑战。

这些电池需要管理不断变化的需求，与现有的配电系统集成，保留储备以减轻停电，以及具有经济寿命预期。它们必须在低温环境下有效运行，这是可充电电池可能会遇到困难的地方。这种规模的储能也意味着对电池储能的巨大需求——这些设施有长排电池，配有加热和安全管理系统。

最后，储能需要大量的电池矿物供应。不过，新的电池技术正开始应对这些挑战。

随着消费者选择更环保的产品，企业通过这一不断发展的行业竞争进行创新，新的电池技术每天都在涌现。主要应用领域有两个：电动汽车（EV）电池和电网蓄电池。

电动汽车（EV）的价格变得越来越实惠，而该国的充电基础设施系统也在不断建设中。增加电动汽车的续航里程和减少充电时间是实现使电动汽车比传统燃烧发动机汽车更具吸引力的目标中需要解决的主要技术挑战。

EV电池技术的近期发展包括：

• 减少钴在阴极中的使用：钴在锂离子电池的阴极中广泛使用，但其开采存在破坏环境和侵犯人权的历史。其他更具社会意识的电池材料包括磷酸铁锂阴极和有机材料。这些材料面临能量密度等挑战，需要进一步发展才能成为可行的经济储能技术。
• 电池作为结构：电动车通常比传统汽车更重，主要是由于电池的重量。由于车辆的结构框架也占据了重量的大部分，能够兼作结构组件的电池意味着减轻重量、更好的电池续航里程、减少路面损耗和提高安全性。结构电池不使用电池收纳盒，而是通过粘附将电池单元与金属板结合在一起，形成实用的结构梁。
• 碳纳米管：利用数十亿垂直碳管形成电极可以显著提高电池的能量密度和充电时间。这是因为增加了电解质与表面积的反应。这是一项发展中的技术，但它在改善储能技术方面有着巨大的潜力。

电网蓄电池的发展不如电动汽车，但可再生能源存储在实用性方面正在取得进展，包括为满足供暖需求而存储可再生能源的创新。

• 替代材料：对于易过热和退化的锂离子电池，实现可再生能源储存的终极目标是使用替代材料。正在发展的样式选择包括硅阳极、镍氢和锌离子电池，但这些电池在电网储能方面还没有达到一定的规模或经济性。
• 流动电池：这种电池将两种分别带有相反电荷的电解液来回泵送到固体多孔电极上，同时使用薄膜材料防止电解质混合。改变流动方向可以反转充电和放电之间的化学反应。多孔电极有效地扩大了表面积并提高了电池性能。这些电池的尺寸可扩展，并且允许紧凑存储而不会产生过多的热量，而电解液罐和电极的分离则允许定制。通常使用钒作为电极，但目前正在研究和开发使用更易获得的材料，如铁。
• 沙子：芬兰开发了一种将热量储存在沙子中的电池。它将供应的电能转化为热能，将热能储存在沙子中，并根据需要将热能释放到家庭供暖网络中。这项技术可能在能量储存转型中发挥重要作用。

随着新电池技术的发展，可再生能源存储变得更加实用，其好处将会逐渐增加：

• 更具道德价值的矿物采购
• 增加企业参与和行业竞争
• 更经济的电池
• 更多的消费者采用可再生能源技术，如风力涡轮机、太阳能电池板、水力发电等
• 更多国家和社区可利用可再生能源
• 减少排放，建立更可持续的社会

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