許多電動(dòng)汽車（EV）是由可充電鋰離子電池提供動(dòng)力的，但隨著時(shí)間的推移，它們可能會(huì)失去能量和動(dòng)力。在某些情況下，這種電池在工作或充電時(shí)也會(huì)過熱，這也會(huì)降低電池壽命，減少每次充電的里程數(shù)。

為了解決這些問題，諾丁漢大學(xué)正在與中國(guó)的六家科研機(jī)構(gòu)合作，開發(fā)一種具有固體氧化物燃料電池和金屬-空氣電池綜合性能優(yōu)勢(shì)的創(chuàng)新型廉價(jià)能源庫(kù)。這種新型電池可以大大擴(kuò)展電動(dòng)汽車的使用范圍，同時(shí)具有完全可回收、環(huán)保、低成本和安全的特點(diǎn)。

固體氧化物燃料電池通過化學(xué)反應(yīng)將氫和氧轉(zhuǎn)化為電。雖然它們從燃料中提取能量效率高、耐用、成本低、生產(chǎn)更環(huán)保，但它們是不可再充電的。同時(shí)，金屬空氣電池是一種電化學(xué)電池，它使用廉價(jià)的金屬如鐵和空氣中的氧氣來發(fā)電。在充電過程中，它們只向大氣中釋放氧氣。雖然不太耐用，這些高能量密度的電池是可充電的，可以像鋰離子電池一樣儲(chǔ)存和放電，但更安全、更便宜。

在早期的研究階段，研究小組探索了一種高溫鐵-空氣電池的設(shè)計(jì)，這種電池使用熔鹽作為一種電解質(zhì)，通過加熱來激活導(dǎo)電性。廉價(jià)和易燃的熔鹽有助于給電池留下深刻的能量?jī)?chǔ)存和電力能力和漫長(zhǎng)的生命周期。

然而，熔鹽也具有不利的特性。諾丁漢大學(xué)研究負(fù)責(zé)人喬治·陳教授說：“在極熱條件下，熔鹽會(huì)具有侵蝕性、揮發(fā)性和蒸發(fā)或泄漏，這對(duì)電池設(shè)計(jì)的安全性和穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。迫切需要對(duì)這些電解液特性進(jìn)行微調(diào)，以提高電池性能，并使其能夠在未來的電力運(yùn)輸中使用?！?/p>

目前，研究人員已經(jīng)成功地改進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)，使用固體氧化物納米粉體，將熔鹽轉(zhuǎn)變?yōu)檐浌腆w鹽。領(lǐng)導(dǎo)這一合作項(xiàng)目的中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所王建強(qiáng)教授預(yù)測(cè)，這種準(zhǔn)固態(tài)（QSS）電解液適用于在800℃下工作的金屬空氣電池；因?yàn)樗种屏嗽谌绱烁叩墓ぷ鳒囟认驴赡馨l(fā)生的熔鹽的蒸發(fā)和流動(dòng)性。

項(xiàng)目合作者，來自中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的程鵬博士，解釋了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究的獨(dú)特和有用的設(shè)計(jì)方面。準(zhǔn)凝固是利用納米技術(shù)來構(gòu)建一個(gè)由固體氧化物顆粒組成的柔性連接網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的，這些固體氧化物顆粒起到了鎖定熔鹽電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)屏障的作用，同時(shí)仍然允許它們?cè)跇O熱下安全導(dǎo)電。

領(lǐng)導(dǎo)諾丁漢熔鹽電解實(shí)驗(yàn)室的陳教授希望，該團(tuán)隊(duì)的“令人鼓舞的成果”將有助于建立一種更簡(jiǎn)單、更有效的方法，設(shè)計(jì)出低成本、高性能、高穩(wěn)定性和安全性的熔鹽金屬空氣電池。

他補(bǔ)充道：“經(jīng)過改進(jìn)的熔鹽鐵氧電池在新市場(chǎng)有著巨大的潛在應(yīng)用，包括電力運(yùn)輸和可再生能源，這需要在我們的家庭和電網(wǎng)層面上提供創(chuàng)新的存儲(chǔ)解決方案。原則上，這種電池還能夠儲(chǔ)存太陽能和電能，這對(duì)于家庭和工業(yè)能源的需求都是非常理想的。目前，熔鹽在西班牙和中國(guó)被大規(guī)模用于收集和儲(chǔ)存太陽能，然后將太陽能轉(zhuǎn)化為電能我們的熔鹽金屬空氣電池在一個(gè)設(shè)備中完成兩項(xiàng)工作?！?/p>

全文“用于可充電高溫熔鹽鐵空氣電池的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)”概述了這一結(jié)果，發(fā)表在《儲(chǔ)能材料》雜志上。

什么是熔鹽電池？

熔融鹽電池是一類使用熔融鹽作為電解質(zhì)的電池，具有高能量密度和高功率密度。傳統(tǒng)的非充電式熱電池在通過加熱激活之前，可以在室溫下長(zhǎng)時(shí)間固態(tài)保存。液態(tài)金屬可充電電池用于工業(yè)備用電源，特殊電動(dòng)汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)能，以平衡間歇性可再生能源，例如太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)。

熔鹽電池的優(yōu)點(diǎn)

熔鹽電池與固態(tài)電池相比有幾個(gè)固有的優(yōu)點(diǎn)。由于部分（或液態(tài)金屬電池的全部）組件是液態(tài)的，因此在大規(guī)模應(yīng)用中，電池具有更高的電流密度、更長(zhǎng)的循環(huán)壽命和簡(jiǎn)化的制造方案。由于不涉及膜或分離器系統(tǒng)，循環(huán)壽命更高，能源效率可保持較長(zhǎng)時(shí)間。電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能公司Ambri此前曾表示，鉛銻和鋰液態(tài)金屬電池在10年的日常充放電循環(huán)中應(yīng)能保持85%的初始效率。由于電池本質(zhì)上是一個(gè)包含3個(gè)液相的容器，所以結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，只需將較重的金屬倒入底部，將電解液倒入中間，將較輕的電極倒入底部頂部。頂部這種設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)是需要較高的工作溫度來保持部件處于液態(tài)。然而，在電網(wǎng)規(guī)模的應(yīng)用中，利用充電和放電循環(huán)中產(chǎn)生的熱量可以很容易地維持這些升高的溫度。

熔鹽電池的歷史

實(shí)際上，最初的熔融鹽電池根本不打算長(zhǎng)時(shí)間工作，而是用作炸彈和火箭的單激活一次電池。由德國(guó)第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期的科學(xué)家喬治·奧托·埃爾布（GeorgOttoErb）發(fā)明的首批實(shí)用電池被稱為熱電池，盡管在戰(zhàn)爭(zhēng)期間從未使用過，但美國(guó)軍械發(fā)展司最終將獲得該技術(shù)并將其用于火箭，炸彈甚至是動(dòng)力。核。這些早期的電池可以在固態(tài)狀態(tài)下無限期（超過50年），同時(shí)提供巨大的電量。如今，熱電池仍被用作AIM-9響尾蛇，BGM-109戰(zhàn)斧和MIM-104愛國(guó)者等的主要?jiǎng)恿碓础?/p>

1966年，福特汽車公司發(fā)明了用于電動(dòng)汽車的鈉硫（NaS）液態(tài)金屬電池。高功率密度和高能量容量看起來很有希望，但是290-390°C的高工作溫度導(dǎo)致福特放棄了研發(fā)。1983年，東京電力公司（TEPCO）和NipponGaishiKaisha（NGK）意識(shí)到了NaS電池系統(tǒng)作為電網(wǎng)存儲(chǔ)解決方案的潛力，并開始研究和開發(fā)該技術(shù)。1993年，這種系統(tǒng)的第一個(gè)大規(guī)模原型在東京電力公司的Tsunashima變電站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。該系統(tǒng)由三個(gè)2MW，6.6KV電池組組成。這為NGK/TEPCO聯(lián)盟當(dāng)前的網(wǎng)格存儲(chǔ)NaS電池系列奠定了基礎(chǔ)，后者每年可產(chǎn)生90兆瓦的存儲(chǔ)容量。

同時(shí)，1985年，在南非比勒陀利亞，由科學(xué)和工業(yè)研究委員會(huì)的JohanCoetzer博士領(lǐng)導(dǎo)的非洲沸石電池研究項(xiàng)目（ZEBRA）發(fā)明了首個(gè)氯化鈉鎳電池。它的比能為90Wh/kg，是一種非常穩(wěn)定的β氧化鋁固體電解質(zhì)，并且比NaS具有更高的耐腐蝕性。這種設(shè)計(jì)雖然新穎，但尚未見到大規(guī)模的商業(yè)網(wǎng)格存儲(chǔ)應(yīng)用，并且仍然是電池研究與開發(fā)的熱門話題。但是，它們已由FIAMMSonick部署并用于ModecElectricVan。

不同類型的熔鹽電池

熱（非充電）電池

用于為火箭和提供動(dòng)力的熱電池是一次電池，旨在在短時(shí)間內(nèi)（從幾秒鐘到一個(gè)多小時(shí)不等）提供高功率。通常有兩種類型的設(shè)計(jì)。第一種方法是使用炸藥條，該炸藥條由鋯金屬粉末和鉻酸鋇在陶瓷紙中沿?zé)嵬璧倪吘夵c(diǎn)燃，以點(diǎn)燃燃燒過程。引信條由施加電流的引爆管點(diǎn)燃。第二個(gè)是在電池堆中央的孔，當(dāng)電觸發(fā)點(diǎn)火時(shí)，該孔會(huì)充滿白熾燈顆粒和熱氣體的混合物。該過程更快，大約為幾十毫秒，而引信帶設(shè)計(jì)則為數(shù)百毫秒。當(dāng)今的熱電池利用由二硫化鐵或二硫化鈷與鋰硅或鋰鋁合金構(gòu)成的陰極。但是，較早的化學(xué)方法使用鎂或鈣陽極，鉻酸鈣，氧化鎢或釩陰極。所有這些設(shè)計(jì)都使用了熔融鹽電解質(zhì)層，通常由氯化鋰和氯化鉀組成。共晶電解質(zhì)也已經(jīng)使用溴化鋰，并且溴化鉀也已經(jīng)被用來增加循環(huán)壽命。

鈉硫電池

鈉硫（NaS）電池由廉價(jià)且豐富的材料制成。典型的設(shè)計(jì)包括在陽極和陰極之間的固體電解質(zhì)膜，該膜被裝入裝有鉻和鉬內(nèi)部保護(hù)的鋼制圓筒中。電池中心的熔融鈉充當(dāng)陽極，向外部電路提供電子。鈉芯包裹在β-氧化鋁固體電解質(zhì)（BASE）圓柱體中，該圓柱體有助于Na+離子向外部硫電極（作為陰極）移動(dòng)，同時(shí)防止兩個(gè)電極短路。NGK目前經(jīng)營(yíng)著一系列成功的網(wǎng)格存儲(chǔ)NaS電池，并且被認(rèn)為是服務(wù)于北美，亞洲和歐洲的全球最大的網(wǎng)格規(guī)模電池供應(yīng)商。

氯化鈉鎳電池

氯化鈉鎳（Na-NiCl2）電池也使用熔融的鈉芯，但在放電狀態(tài)下使用鎳作為正極，在充電狀態(tài)下使用氯化鎳。兩種形式的鎳電極均不溶于其液態(tài)，并且將鈉導(dǎo)電的β氧化鋁陶瓷用作隔膜。代替NaS電池中存在的純?cè)剽c，四氯鋁酸鹽（NaAlCl4）核是優(yōu)選的。Na-NiCl2電池有時(shí)也稱為鈉金屬鹵化物電池，除了具有較長(zhǎng)的使用壽命，在放電狀態(tài)下組裝的能力以及比NaS更安全的化學(xué)性質(zhì)外，還具有優(yōu)勢(shì)。Na-NiCl2電池的正常工作溫度范圍是270-350°C，但是有一家公司住友化學(xué)能夠使用鹽在61°C的溫度下融化并在90°C的溫度下運(yùn)行開發(fā)出類似的化學(xué)反應(yīng)。他們最初計(jì)劃在2015年下半年進(jìn)行商業(yè)試用，因此只有時(shí)間能證明它們?cè)谑袌?chǎng)上的運(yùn)作方式。

液態(tài)金屬電池

液態(tài)金屬電池是設(shè)計(jì)用于電網(wǎng)存儲(chǔ)應(yīng)用的新型熔融鹽電池。液態(tài)金屬電池是由麻省理工學(xué)院（MIT）材料教授DonaldSadoway于2009年首次提出的，它由一個(gè)底部裝有熔融銻陰極的集電容器，中間層的鹽電解質(zhì)和液態(tài)鎂組成頂部為金屬陽極。鎂由于其低成本和對(duì)熔融鹽電解質(zhì)的低溶解性而被最初選擇，但較高的工作溫度為700°C促使他在2011年將化學(xué)方法轉(zhuǎn)換為鋰基陽極。較高的工作溫度是不受歡迎的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致較高的溫度。腐蝕速率，降低總存儲(chǔ)效率并增加電池壽命內(nèi)的成本。

液態(tài)金屬電池

Sadoway的液態(tài)金屬電池因其材料成本低和能源效率高而特別適合電網(wǎng)存儲(chǔ)應(yīng)用。目前，銻（Sb）的價(jià)格為每摩爾1.23美元，當(dāng)與堿土負(fù)極一起使用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的電池電壓。當(dāng)與鋰（Li）電極耦合時(shí)，液態(tài)金屬化學(xué)物質(zhì)在200mA/cm2恒電流放電條件下測(cè)得的平均電池電壓為0.92V。Li在極低的180°C溫度下熔化，與鹵化鋰鹽的溶解度低，從而降低了自放電的可能性。與替代的基于鈉（Na）的熔融電池化學(xué)工藝相比，它在能源效率方面擁有優(yōu)勢(shì)。

液態(tài)金屬電池如何工作？

盡管目前尚無關(guān)于Ambri當(dāng)前的Li和Sb-Pb的信息，但Sadoway已公開證實(shí)其與他最初的鎂銻化學(xué)（Mg||Sb）相似。在最初的2012年設(shè)計(jì)中，負(fù)極Mg電極和正極Sb電極由分子式為MgCl2-KCl-NaCl的熔融鹽電解質(zhì)隔開。密度差異形成陽極，電解質(zhì)和陰極的三個(gè)不同層。放電時(shí)，Mg發(fā)生氧化反應(yīng)，生成Mg2+，該Mg2+溶于電解質(zhì)和2個(gè)自由電子，這些電子釋放到外部電路中。Mg2+陽離子同時(shí)還原為Mg，并沉積到Sb陰極中，在那里它們結(jié)合在一起形成Mg-Sb液態(tài)金屬合金。在充電過程中，會(huì)發(fā)生相反的情況，電流驅(qū)動(dòng)Mg-Sb合金中的Mg并以液態(tài)Mg的形式返回到頂部負(fù)極。液體電極的這種膨脹和收縮是液體金屬電池所獨(dú)有的，并且允許電極在每個(gè)充電和放電循環(huán)中有效地再生，從而有效地增加了電池的壽命。

電網(wǎng)儲(chǔ)能和熔鹽電池的未來

DonaldSadoway的Ambri，NGK和Sumitomo等公司正在繼續(xù)推動(dòng)熔融鹽化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，因?yàn)橥顿Y者和整個(gè)能源行業(yè)開始認(rèn)識(shí)到更好的電池對(duì)于電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能的重要性。Ambri計(jì)劃向阿拉斯加的一個(gè)試點(diǎn)電網(wǎng)，夏威夷的風(fēng)力和太陽能發(fā)電廠以及曼哈頓的一個(gè)變電站運(yùn)送6噸10噸的原型。NGK和三菱電機(jī)公司正在為九州電力公司建設(shè)一個(gè)50,000千瓦的電池系統(tǒng)，以支持日本國(guó)家改用太陽能的倡議。在麻省理工學(xué)院最近發(fā)表的題為《太陽能的未來》的2015年出版物中，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)今人類從各種能源中消耗15兆瓦的電能。該報(bào)告還顯示，太陽能技術(shù)已經(jīng)達(dá)到人類需要利用太陽能并滿足這種能源需求的地步。在德國(guó)，意大利和西班牙，太陽能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)平價(jià)，德國(guó)率先使用太陽能發(fā)電，占其發(fā)電量的45％。顯而易見的是，儲(chǔ)能是世界充分獲得可再生能源優(yōu)勢(shì)的最后難題。與用于更好的可再生能源技術(shù)上的資金相比，用于電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能方面的投資將具有更大的分量。顯而易見的是，儲(chǔ)能是世界充分獲得可再生能源優(yōu)勢(shì)的最后難題。與用于更好的可再生能源技術(shù)上的資金相比，用于電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能方面的投資將具有更大的分量。顯而易見的是，儲(chǔ)能是世界充分獲得可再生能源優(yōu)勢(shì)的最后難題。與用于更好的可再生能源技術(shù)上的資金相比，用于電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能方面的投資將具有更大的分量。