新型電池有望擺脫“棄風棄電”困境

在河北豐寧的壩上草原，有一片漫山遍野的白色風車。如果仔細觀察會發現，有部分風車并沒有在轉動，只有小部分在轉動發電。

“這是風車在有序停工，也就是我們說的‘棄風棄電’。”北京大學材料科學與工程學院特聘研究員龐全全告訴《中國科學報》。

如何讓這些大風車物盡其用呢？

日前，龐全全聯合麻省理工學院、滑鐵盧大學、武漢理工大學、阿貢國家實驗室等單位的研究人員，在Nature上發表了一篇題為《無晶枝短路的快速充電鋁硫電池》（Fast-charging aluminium-chalcogen batteries resistant to dendritic shorting）的新研究成果，有望解決這個難題。

讓大風車滿負荷運轉

這些高度超過50米的大風車，好不容易被搬到海拔1000多米的高山上，為什么不讓它們滿負荷運轉呢？

龐全全解釋道，這是因為風力發電如果當地消耗不了，就需要并入大規模的電網。當前的電網需要在維持供應與消耗基本等量的同時，實現頻率穩定以確保高質量的電力，所以其能夠接受風電這一“額外電量”的能力有限。

換言之，如果突然這么多風力發電上網的話，電網會因受到極大的沖擊而遭遇威脅；如果電網被設置為高消納能力，則當風力銳減的時候，電網卻又會極大降低頻率。對于太陽能發電，也是同樣的道理。

“我們的研究一方面可以進行局部地區的電力消納，也就是發電側的分布式儲能電站，風電多的時候靠電池存起來，風電少的時候電池將電釋放出去；另一方面，可以使用電池來進行風電并網的調節，也就是電網側的獨立電站，進行調峰調頻。”他說，“當然我們的電池還可以用于工商業或者家庭儲能的電源，進行峰谷電價套利。”

峰谷價差套利，是目前用戶側儲能最主要的盈利方式，即通過晚上電網低谷時期為儲能電站充電，白天用電高峰時放電，來達到節約用電成本的目的。

Nature發文帶來新型電池

這也是龐全全的首篇Nature文章。

他告訴《中國科學報》：“大概5～6年前，我在鋰硫電池的硫正極以及電解液設計中產生的靈感，并將其帶到了低成本的鋁電池領域。”

龐全全上一篇相關的研究論文發表于Nature Energy，主要介紹了如何利用電解液設計來實現高性能鋰硫電池。最新的這篇Nature介紹了一個全新的電池體系，在電解質以及正負極的使用上比較獨特。

龐全全表示：“在Nature介紹的這項工作中，我們研發的鋁離子電池使用高安全不可燃的熔融鹽電解質、超低的電池材料成本（鋁為負極、硫為正極）和超高充放電速度（幾十秒到幾分鐘的時間范圍內完成充電），相對于磷酸鐵鋰電池在成本、安全性和電池效能上均有突出優勢。

他進一步解釋道：“由于使用的熔融鹽電解質的熱穩定性高，不可燃，使得電池體系具有高安全性，解決了大規模集成系統安全性方面的疑慮。”

另外，該電池體系使用元素豐富的硫作為正極，在較溫和的溫度110℃（其他熔融鹽鋁電池工作溫度在300～600℃之間，故又稱高溫電池）下也可以正常運行。

在二次電池領域深耕

當前，在風電光電裝機規模急速增長背景下，與其配套的“風光儲”系統中的儲能電池發展一直嚴重滯后。

今年6月29日，國家能源局綜合司發布的關于征求《防止電力生產事故的二十五項重點要求（2022年版）（征求意見稿）》指出，中大型電化學儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，不宜選用梯次利用動力電池。

隨著儲能電站安全、成本、效益等問題凸顯，亟需電化學儲能體系的革新，以實現儲能電站安全、成本、效益等問題的本質變革。

這也是龐全全等人研究儲能電池的目標所在。

從鋰硫電池、鋰金屬電池到熔融鹽電池，再到實驗室正在大力發展的全固態電池，龐全全一直都在二次電池領域開展研究工作。

龐全全告訴《中國科學報》：“我們最新研發的這款新型鋁電池由于成本低、快充能力強，有望為發電側清潔能源并網、電網側的調頻、調峰等領域應用帶來突破。”