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新型儲能技術(shù)——鈉離子電池儲能技術(shù)
日期:2019-08-23   [復(fù)制鏈接]
責任編輯:sy_zhangxiaoxiao 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
編者按:如何更加高效的進行儲能儲能技術(shù)發(fā)展的重點,鋰離子電池作為高效電池技術(shù)被廣泛使用在儲能上,但隨著能源利用的增加,鋰離子電池出現(xiàn)了儲量少、價格高等問題。與此同時與鋰離子的性質(zhì)類似的鈉離子被證實具有儲能效果,憑借低成本的鈉離子電池正負極材料獲得廣泛認可。未來能源的需求只會越來越大,儲能技術(shù)也將往低成本高效益的方向發(fā)展,鈉離子電池或?qū)⑷〈囯x子電池。

導(dǎo)讀:發(fā)展便捷高效的新型儲能技術(shù),是當前社會研究的熱點。
 
能源作為人類文明進步的物質(zhì)基礎(chǔ),一直扮演著重要的角色,是人類社會發(fā)展必不可少的保障,與水、空氣、糧食等共同構(gòu)成了人類賴以生存的必要條件,直接影響著人類的生活。
 
能源工業(yè)的發(fā)展,經(jīng)過了由薪柴“時代”到煤炭“時代”,再由煤炭“時代”到石油“時代”的兩大轉(zhuǎn)變,目前已經(jīng)開始由石油“時代”向可再生能源“時代”的轉(zhuǎn)變。
 
從19世紀初期以煤炭為主,到20世紀中期以石油為主,人類大規(guī)模利用化石能源已經(jīng)有200多年了。然而,全球以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)特征,使得距離化石能源枯竭的日子,不再遙遠。
 
以煤炭、石油和天然氣為代表的傳統(tǒng)的三大化石能源經(jīng)濟載體,在新世紀將會迅速枯竭,且在使用和燃燒過程中,還會導(dǎo)致溫室效應(yīng),產(chǎn)生大量污染物,污染環(huán)境。
 
因此,降低對化石能源的依賴,改變現(xiàn)有的不合理的能源使用結(jié)構(gòu),尋求清潔、無污染的新型可再生能源,勢在必行。
 
目前可再生能源主要包括風能、氫能、太陽能、生物能、潮汐能和地熱能等,而風能與太陽能,更是當前世界范圍內(nèi)的研究熱點。
 
然而,實現(xiàn)各種可再生能源相互之間的高效轉(zhuǎn)化和儲存,當前還比較困難,因此使其難以有效的被利用。
 
在此情形下,為了實現(xiàn)人類對新型可再生能源的有效利用,就要發(fā)展便捷高效的新型儲能技術(shù),這也是當前社會研究的熱點。
 
 
目前,鋰離子電池作為最高效的二次電池之一,已被廣泛的應(yīng)用于各種電子器件、交通、航天等領(lǐng)域,但隨著能源利用的增加,鋰元素因儲量少、價格高等原因,發(fā)展前景較為艱難。
 
鈉與鋰的物理化學(xué)性質(zhì)類似,具有儲能效果,且因其含量豐富、鈉源分布均勻、價格較低等因素,將其應(yīng)用于大規(guī)模的儲能技術(shù),具有成本少、效益高等特點。
 
鈉離子電池的正負極材料包括層狀過渡金屬化合物、聚陰離子型、過渡金屬磷酸鹽、核殼納米、金屬化合物、硬碳等。
 
碳作為自然界儲量極其豐富的一種元素,廉價易得,作為鈉離子電池負極材料獲得了諸多的認可。
 
按照石墨化程度,碳材料可以分為石墨類碳和無定型碳兩大類。
 
歸屬于無定形碳中的硬碳,表現(xiàn)出了達300mAh/g 的儲鈉比容量, 而石墨化程度較高的碳材料由于表面積較大、有序性較強等原因,難以滿足商業(yè)應(yīng)用。
 
因此,在實際研究中以非石墨類硬碳材料為主。
 
為了進一步提升鈉離子電池負極材料的性能,通過離子摻雜或復(fù)合的方法對碳材料的親水性、導(dǎo)電性等進行改善,可以增強碳材料的儲能性能。
 
金屬化合物作為鈉離子電池負極材料,主要是以二維金屬碳化物、氮化物為主,除了具備二維材料的優(yōu)異特性以外,不僅可以通過吸附、插層的方式儲存鈉離子,還可以與鈉離子結(jié)合,通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電容進行儲能,進而極大的提升儲能效果。
 
金屬化合物由于受限于成本太高,且難以獲得,因此目前鈉離子電池負極材料仍然以碳材料為主。
 
層狀過渡金屬化合物的興起是在石墨烯發(fā)現(xiàn)之后,目前應(yīng)用于鈉離子電池的二維材料主要有鈉基層狀NaxMO4、NaxCoO4、NaxMnO4、NaxVO4、NaxFeO4等。
 
聚陰離子型正極材料最早應(yīng)用于鋰離子電池正極,后被借鑒應(yīng)用于鈉離子電池,主要代表材料有NaMnPO4、NaFePO4 等橄欖石型晶體。
 
過渡金屬磷酸鹽最開始也是被應(yīng)用于鋰離子電池中的一種正極材料,合成工藝較成熟,晶體結(jié)構(gòu)較多。
 
磷酸鹽作為一種三維結(jié)構(gòu),搭建起來的一種框架結(jié)構(gòu)有利于鈉離子的脫嵌和嵌入,進而得到儲能性能優(yōu)異的鈉離子電池。
 
核殼結(jié)構(gòu)材料是近年來才興起的新型鈉離子電池正極材料,這種材料在原有材料的基礎(chǔ)上,通過精妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計,實現(xiàn)了空心結(jié)構(gòu)。
 
比較常見的核殼結(jié)構(gòu)材料有空心硒化鈷納米立方、Fe-N共參雜核殼釩酸鈉納米球、多孔碳空心氧化錫納米球等空心結(jié)構(gòu)。
 
由于其本身的優(yōu)異特性,再加上獨特的空心、多孔結(jié)構(gòu),使得更多的電化學(xué)活性暴漏在電解液當中,同時還會極大的促進電解液的離子遷移率,實現(xiàn)高效儲能。
 
 
全球可再生能源的持續(xù)增長,推動了儲能技術(shù)的發(fā)展。
 
目前,根據(jù)儲能方式的不同,可以分為物理儲能和電化學(xué)儲能。
 
電化學(xué)儲能因安全性高、成本低、應(yīng)用靈活,以及效率高等優(yōu)點,滿足了當今新能源儲能技術(shù)的發(fā)展標準。
 
按照不同的電化學(xué)反應(yīng)過程,電化學(xué)儲能電源主要包括超級電容器、鉛酸電池、燃料電池、鎳氫電池、鈉硫電池,以及鋰離子電池等。
 
儲能技術(shù)中,柔性電極材料由于其設(shè)計的多樣性、靈活性、低成本,以及環(huán)保的特性,吸引了諸多科學(xué)家的研究興趣。
 
碳材料具有特殊的熱化學(xué)穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)電率、較高強度,以及非比尋常的機械性能,使其有望成為鋰離子電池和鈉離子電池的電極。
 
超級電容器可以在大電流條件下快速充放電,且循環(huán)壽命達10萬次以上,是一種介于電容和電池之間的新型特殊電化學(xué)儲能電源。
 
超級電容器具有高功率密度與高能量轉(zhuǎn)化率等特點,但其能量密度較低,易發(fā)生自放電,使用不當時易發(fā)生電解液的泄露。
 
燃料電池雖具有不用充電,容量大,比容量高和比功率范圍廣等特點,但其運行溫度高,成本價格較高,以及能量轉(zhuǎn)換效率低,使其在商業(yè)化的過程中只能在某些特定的領(lǐng)域使用。
 
鉛酸電池具有成本低廉,技術(shù)成熟,安全性高等優(yōu)點,且在信號基站,電動自行車、汽車與電網(wǎng)儲能等方面已有廣泛的應(yīng)用,但其因能量密度低、體積大、壽命短,以及污染環(huán)境等短板,無法滿足對儲能電池越來越高的要求與標準。
 
鎳氫電池具有通用性強,發(fā)熱量小,單體容量大,放電特性平穩(wěn)等特點,但其本身的重量比較大,且電池串聯(lián)管理的問題較多,易導(dǎo)致單體電池隔板融化。
 
原標題:鈉離子電池儲能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

 
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來源:電池聯(lián)盟
 
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