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Science深度評論,鋅空電池前途無量!

最近一年來,鋅空電池發展迅速,陸續有Science,Nature Nanotechnology和Nature Energy等重磅文章發表,Science對鋅空的前景非常看好,特地發了以下評論文章。
Science深度評論,鋅空電池前途無量!
如果必要性是發明之母,那么潛在利潤必須是發明之父。這兩種激勵都推動了將鋅電池從通常用于助聽器的小型一次性電池轉變為可連接到電網的可充電龐然大物,存儲太陽能或風能在夜間或無風時使用。馬里蘭大學的電池專家王春生說,“隨著初創企業的激增和實驗室研究的深入和快速發展,鋅電池是一個非常熱門的領域。”
鋰離子電池是電動汽車中的巨型電池,是目前儲存可再生能源的領先者,但其組件很昂貴。鋅電池在經濟上和地球上更容易,但是實驗室實驗指出了它們的主要缺點:它們不能在幾十年內反復充電。
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隨著越來越多的太陽能、風能和其他可再生能源上線,對電網規模電池存儲的需求正在增長。今年,總統喬·拜登承諾到2035年使美國電網無碳。為了平衡供應量,大部分可再生能源必須存儲數小時或數天,然后重新輸入電網。僅在加利福尼亞州,公用事業委員會就設想,到2026年部署超過8800兆瓦的可充電電池,上周,加利福尼亞州州長加文·紐森提議提供3.5億美元的州資金,用于開發長期能源存儲技術。鋅電池生產商Zinc8 Energy Solutions負責業務發展的副總裁馬克·巴喬說:“這種趨勢不會下降,它只會繼續增長。”
鋅電池初創公司EnZinc的首席執行官邁克爾·伯茨說,對于電源存儲來說,“鋰離子是800磅的大猩猩。”但鋰是一種相對稀有的金屬,只在少數幾個國家開采,太稀缺和昂貴,無法支持世界公用事業網絡。汽車制造商也對電動汽車的需求很大。鋰離子電池通常也使用易燃液體電解質。這意味著兆瓦規模的電池必須具有昂貴的冷卻和滅火技術。海軍研究實驗室(NRL)高級電化學材料研究負責人黛布拉·羅利森說:“我們需要鋰的替代品。”
那么鋅來了,這是一種銀質、無毒、廉價、豐富的金屬。一次鋅電池已經上市幾十年了。最近,一些充電鋅電池產品也已商業化,但它們的儲能能力往往有限。另一種技術,鋅液流電池也在取得長足進步。但它需要更復雜的閥門、泵和箱才能運行。因此,研究人員目前正在努力改進另一種變體,鋅空電池。
在這些電池中,加氫氧化鉀或其他堿性材料的水基電解質將鋅陽極和其他導電材料(通常是多孔碳)制成的陰極分開。在放電過程中,空氣中的氧氣與陰極處的水反應,形成氫氧化物離子,這些離子遷移到陽極,在那里它們與鋅反應,最終產生氧化鋅。該反應釋放出通過外部電路從陽極流向陰極的電子。電池充電意味著電流反過來,導致鋅金屬在陽極上重新形成。

Science深度評論,鋅空電池前途無量!

正在英格蘭東南部建設的儲能設施使用鋰離子電池
但鋅電池不喜歡反向運行。陽極表面的不規則性導致電場在某些點增強,導致鋅沉積在那里,進一步增強電場。隨著循環的重復,被稱為樹突的微小尖刺會生長,最終穿孔使電池短路。同樣麻煩的是,電解質中的水可以在陽極處反應,分解成氧氣和氫氣,從而使電池衰減。
研究人員已經開始處理這些缺點,每年有近1000篇論文產生。例如,2017年,Rolison和他的同事在Science雜志上報告說,他們將陽極重新設計為一個由金屬鋅組成的三維網絡,其中布滿微小的空隙。電極的廣闊表面積降低了局部電場,從而防止了樹突的積累,并降低了水分子分解的可能性。NRL將該技術授權給EnZinc。
本月,王春生和他的同事在Nature Nanotechnology雜志上報道,當他們在電解質中添加含氟鹽時,它與鋅反應,在陽極周圍形成固體氟化鋅屏障。離子在充電和放電過程中仍然可以透過。但屏障阻止樹突生長,排斥水分子,阻止它們到達陽極。
太平洋西北國家實驗室儲能材料負責人王偉說:“這是一個偉大的發展。”盡管如此,王春生指出,他的設備放電有些慢。為了改善這一點,他的團隊希望在陰極中添加催化劑,以加快氧氣和水之間的反應。
漢陽大學Jung-Ho Lee領導的研究人員也采取了同樣的策略。在4月12日的Nature Energy上,他們報告,銅、磷和硫的混合物也可作為催化劑,它們創造了纖維導電陰極,極大地加快了氧氣與水的反應。這一進展和在負極和電解液中進展結合,電池可以快速充電和放電,能量密度高達460Wh/kg(相比之下,帶氧化錳陰極的標準鋅電池約為75 Wh/千克,大型鋰離子系統約為120 Wh/kg),電池在數千個充電和放電周期中保持穩定。王春生說,結果“看起來像是另一重要進步”。
這些進步為可充電的鋅空氣電池有朝一日能夠取代鋰注入了新的希望。由于材料成本低,電網級的鋅空氣電池每千瓦時可能花費100美元,不到當今最便宜的鋰離子電池成本的一半。伯茨說:“這里有很多希望。”但研究人員仍然需要擴大生產規模,從小紐扣電池和手機大小的軟包到集裝箱大小的運輸系統,同時保持其性能,這個過程可能需要數年時間。伯茨還指出,電力公司和其他希望購買廉價大型電池的公司希望首先看到多年的穩定運營。他說:“這些客戶需要看到它在真實環境中有效。”

鏈接:

Zinc aims to beat lithium batteries at storing energy. Science 372 (6545), 890-891.

DOI: 10.1126/science.372.6545.890

http://science.sciencemag.org/content/372/6545/890

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