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新充电电池可为家庭储存太阳能电能

2018-12-12 04:50admin中国电力时空网

哈佛的一支科学家及工程师团队向人们展示了一种充电电池,它可储存诸如太阳能、风能这样的间歇能源,使家庭及商业的电能储存变得安全且成本效益高。

新充电电池可为家庭储存太阳能电能

间歇的自然风或阳光,与各种各样的电力需求不能相称,这对从可再生资源获取大部分电力造成了极大障碍。这一问题可以得到解决,即在不刮风、不出太阳时用成本效益高的方式储存并长期输送电力。

这一电池运作时,其中的化合物负责收集、释放电子,它们是由便宜且储藏丰富的元素(碳、氧、氮、氢、铁、钾)组成的,这些化合物无毒、不易燃、获取容易,因此比其他的电池系统更安全也更便宜。

“这类化学物质我能安心放在自家地下室里,”迈克尔.J·阿齐兹说道,他是哈佛大学-工程学及应用科学保尔森学院的材料及能源技术教授。“这些材料无毒、便宜、丰富且溶于水,意味着很安全——不易燃,在有人的地方储藏大量电力资源时这极其重要。”

这一新电池化学过程是由博士后研究员迈克尔·马沙克(Michael Marshak)及研究生林开祥(音译)发现的,论文合作者罗伊·戈登(Roy Gordon)也参与了研究,他是哈佛大学化学及材料科学教授。

戈登说:“我们将一种普通有机染料与一种便宜的食品添加剂合在一起,使电池电压相比于之前的材料大约提高了50%。”这些发现“将第一次为液流电池提供高性能、不易燃、无毒、无腐蚀性且低廉的化学原料。”

与固体电极电池不同,液流电池是由装在外部容器里的液体储存电量的,这与燃料电池类似。容器(决定了电容量),以及输送液体的电化学转换硬件(决定了峰值功率容量),都可以调节大小。可以人为地通过增加容器的尺寸来提高储存的电量,因此与传统电池系统相比,以更少成本就能存储更大的电量。

多数液流电池设计中,电解质中的活跃成分是金属离子,比如溶于酸的钒离子。这些金属可能很昂贵、有腐蚀性、很难控制,且活动滞缓,导致发电低效。去年,阿齐兹和他的哈佛同事展示了一种液流电池,用叫做“醌类”的有机分子(炭基)替代了金属离子,醌类很丰富,是一种自然产生的化学物质,在光合作用和细胞呼吸等生物过程中至关重要。水溶液中的醌类组成电池的负极电解质,而正极则由传统的含溴电解质组成。这项高性能、低成本的新技术,哈佛大学已经批准给一家欧洲公司使用了,电器的可扩展电网级别电力存储问题有望得到解决。

但是溴易挥发、具有毒性,所以最适宜的情况是,训练有素的专家在安全防护下使用这类电池。

所以,这个研究团队开始寻找一种具有储存优势的新方案,即便宜、持久、有效,在家庭和商业中都能安全运用的化学物质。《科学》期刊上今天发表的论文中称,他们的新电池把溴换成了无毒、无腐蚀性的物质,即亚铁氰化物。

科罗拉多大学波德分校的化学副教授,论文合作者马沙克说:“这个词里有‘氰化物’,听起来很不好,氰化物会与人体内的铁元素紧密结合,使人丧命。但在亚铁氰化物里,它已与铁绑定了,因此是安全的。亚铁氰化物实际上是一种常用的食品添加剂,也是一种肥料。”

在碱性而非酸性溶液中,亚铁氰化物极易溶解且很稳定,所以哈佛团队将之与一种醌类化合物配对使用,此醌类在碱性环境下可溶且稳定,而去年他们研发的电池则使用了酸性溶液。

使用碱溶液还有其他一些优点。因为无腐蚀性,这种液流电池系统里的成分可以用更简单且便宜许多的材料来包装,比如塑料。

罗伯特.F·赛文奈尔(Robert F. Savinell),凯斯西储大学杰出教授、工程学教授,他也认为此技术与其他液流电池设计理念相比,具有诸多优势,包括“原料可持续使用,成本可以很低,实际功率密度下高效发电,操作安全简单。”他还说:“这一液流电池理念的研发和扩展周期应缩短,以利于快速商业应用。”

哈佛的技术研发部与此研究团队正紧密协作,要探明复杂的电能储存市场,并为了这一新化学技术的商品化,而与实力雄厚的公司建立合作关系。

新充电电池可为家庭储存太阳能电能

电池储能的需求既是由经济因素也是由制度因素决定的。在美国有些州,正如世界其他地方,如果电力需求不够,电能得不到即刻使用,而又得不到存储,那么太阳能电池板里的电能就浪费了。在许多州,用户有权以用户费率售卖屋顶太阳能板里生产的电能,此费率是一项名为“电价扣减net metering”的方案中规定的。这些情况下,用户没什么动机去安装电池。但是威廉.W·霍根(哈佛大学肯尼迪学院的全球能源政策教授)认为,这些政策最后将是“不经济、不可持续的”。且随着愈来愈多的家庭安装太阳能电池板,就不太需要从用户那里购买电能了。霍根预测,安装光电板的用户最终会失去卖出电能以降低电费的优惠。如果这发生了,用户们就有动机去购买电池储能装置了。

由阿齐兹及其哈佛同事研发的液流电池设计,其可能的优势是成本较低,且与锂电池相比,可较长时间维持峰流功率。阿齐兹说:“这将有大潜能,因为光伏发电增长正迅速。云朵飘过你家的太阳能发电装置,嗖地一下发电量就降低了。云朵飘走后,发电量一下又上升了。应付这个情况最好的方法是安装电池。”