后鋰電池時代的新技術

　　【前言】

　　新能源儲能領域在最近20 年得到了快速的發展，從大的發電站儲能，新能源電動車，到相對較小的便攜式電子設備，和醫用小心電子設備都具有廣泛的應用。自從1991年鋰電池第一次被商業化成功后，它就開啟了主導儲能市場之路。由于龐大和快速擴大的市場以及它本身的一些缺陷，鋰電池的進一步發展也遇到一些障礙。目前，國際鋰電池專家正在努力去突破這些缺陷和障礙。但是，為了補充或者部分替代鋰離子電池市場，挖掘和發展新型儲能設備也是很重要的一個發展方向，從而更好地去完整現在的儲能領域。那么，從目前的研發領域來看，哪些先進的技術是更有潛力呢？

　　1. 鋰電池的發展和挑戰

　　2019年，諾貝爾化學獎頒給了三個在鋰電池領域的科學家，John B. Goodenough，Stanley M. Whittingham，Akira Yoshino，以表彰他們對鋰離子電池的發展和應用所做的貢獻。諾貝爾化學委員會，給出的評語是：他們創造了一個可重放的世界 （They created a rechargeable world）。這其實是對鋰離子電池發展的一個很大的鼓舞。

　　對于鋰電池的研究由來已久，但是早期對于電池中的離子儲存機理的認識還是傳統的化學反應。1970年代whittinham等人提出了離子的脫嵌機理，從而正式開啟了搖椅式離子電池。在鋰離子電池被大量研究之前，對于鈉離子的儲存研究還是主要的研究方向。但是，Goodenough先后發現了具有脫嵌機理的LiCoO2和LiFePO4材料。隨后Yoshino等人通過結合碳材料和LiCoO2首次研究出了可商業化使用的鋰離子電池。隨后由于市場對于電池能量密度的需求越來越高，先后研究出了不同的正極材料來滿足這些需求。從目前來看，鋰離子的電池已經完全主導了儲能市場，并且有要完全取代傳統電池的趨勢。由于石油可能帶來的危機和大量使用石油所帶來的環境問題，電動車已經是被認可的未來的交通工具。但是由于長續航電動車所需要的電池量是巨大的，以及生產鋰電池電極材料所需要的資源有限，無法完全滿足現在和未來的市場需求。那么，在后鋰電時代，我們需要思考哪些技術可以填補或者替代一些市場需求。

　　2. 潛在的替代或者共存儲能技術

　　現在資本家和各國政府對于鋰離子電池的市場熱度來看，可能現在不適合討論這個話題，但是從長遠發展考慮，這是一個無法被忽視的問題。

　　2.1 新型離子電池

　　從鋰離子的脫嵌式儲存機理來選擇的話，具有脫嵌功能的，并且質量相對輕的離子，比如鈉離子，鎂離子，鉀離子等完全是一個潛在的選擇。相比于鋰離子，這些離子還有另外一個優勢是價格低廉，并且資源豐富分布均勻。從地殼的資源分布來看，鈉，鎂，鉀等離子的濃度是鋰離子的幾千倍之多。這樣的話就可以有機會實現價格低廉的儲能設備。這些新型離子電池的另外一個最大的優勢是可以用到現在存在和即將建設的大量的鋰離子電池的生產線，因為他們具有相同的儲能機理和相似的電池結構。

　　但是由于這些離子的質量鋰離子大，所以他們都有一個通病，能量密度比鋰離子電池低。此外，雖然這些離子的遷移速率理論上要比鋰離子大，但是受到離子尺寸的影響，它們的實際的離子遷移速率要比鋰離子的小。從實際應用來看，這些新型離子電池，無論是能量密度和充放電速度，都是這些電池的短板。它們的在相關領域的應用受到了限制。但是在大規模儲能市場領域還是有很大的應用潛力，例如發電站等。如果在某些方面有很大的突破的話，它們完全有希望在儲能領域占據一席之地。

　　2.2 多價態金屬電池

　　多價態金屬電池是采用多價態的金屬作為負極，例如鎂，鋁等，以及其他碳和硫作為正極。由于這些金屬是多價態，它們們可以轉移2個或者3個電子，從而具有更高的能量密度。此外，它們的儲量也比鋰豐富，有機會實現高能量和低成本的儲能電池。從價格來看，這些金屬的價格不到碳酸鋰的20%。并且，鎂和鋁金屬的產量也是遠高于碳酸鋰。可以大大降低儲能成本。安全性也是鋰離子電池需要認真考慮的問題。鋰金屬的熔點是180度，但是鎂和鋁的熔點超過600攝氏度，它們的熱穩定性要遠高于鋰金屬。此外，快速的表面氧化也可以其到保護作用。由于離子能夠儲存多個電子，因此它們理論上具有更高的能量密度。

　　從實際應用來看，這些多價態的金屬電池具有低價，熱穩定性和安全性更好，因此適用于大規模儲能的市場。這類電池很難在電動車上使用，但是可以作為一個鋰電池的補充或者延長電動的里程的工具。跟新型離子電池相比，多價態的金屬電池還是處于研發的初級階段。想要達到實際的應用水平，還需要有很多問題需要解決，比如開發使用的電解液和電極材料等。

　　2.3 液流電池

　　液流電池包含了氧化還原以及燃料電池的儲能機理。這款電池包括兩個燃料罐，電極，隔膜和電機。在兩個外接的容器中，裝有氧化和還原的溶劑，常用的是釩基溶劑。由于有機溶劑具有成本優勢，因此有機溶劑也是被認為是具有潛力的燃料。該類電池最大的優點就是極高的能量密度，較寬工作溫度區間和超長的循環性能。成本上，有機系的液流電池會比釩化物的電池低一半。成本上有機系電池雖然價格較低，但是液流成本總體上還是遠高于鋰離子電池。技術不成熟也是很大的一部分原因。從安全性和環保性能上來說，不管是有機物，釩化物和具有發射性的物質都是安全性低和環境不友好性的物質。

　　綜合以上因素，液流電池和以上的兩款電池一樣，也是適合在大范圍儲能方面使用。但是它也適合在緊急用電設備，因為它能長時間儲存。總的來看，液流電池還是處于研發階段，還是需要開發新型的低價、無毒以及環境友好型的材料是首要的任務。此外，還需要開發簡易的儲氫設備。

　　【總結】

　　從目前的情況來看，目前還是沒有一款儲能設備能夠完全取代鋰離子電池，滿足如此廣泛的市場需求。但是，受到資源的限制和應對快速的市場發展需求，不得不考慮要發展新型的儲能設備。以上討論幾款最近研究比較熱門和討論的比較多的，并且有潛力能取代鋰離子電池的儲能設備。但是根據目前的研究進展和分析，它們都有各自的優缺點，都具有能夠取代部分鋰離子電池市場的潛力，例如大規模儲能市場，緊急設備等。因此，它們可以成為與鋰離子電池共存的技術，從而降低鋰離子電池的市場壓力。