許多電動汽車（EV）是由可充電鋰離子電池提供動力的，但隨著時間的推移，它們可能會失去能量和動力。在某些情況下，這種電池在工作或充電時也會過熱，這也會降低電池壽命，減少每次充電的里程數(shù)。

為了解決這些問題，諾丁漢大學(xué)正在與中國的六家科研機構(gòu)合作，開發(fā)一種具有固體氧化物燃料電池和金屬-空氣電池綜合性能優(yōu)勢的創(chuàng)新型廉價能源庫。這種新型電池可以大大擴展電動汽車的使用范圍，同時具有完全可回收、環(huán)保、低成本和安全的特點。

固體氧化物燃料電池通過化學(xué)反應(yīng)將氫和氧轉(zhuǎn)化為電。雖然它們從燃料中提取能量效率高、耐用、成本低、生產(chǎn)更環(huán)保，但它們是不可再充電的。同時，金屬空氣電池是一種電化學(xué)電池，它使用廉價的金屬如鐵和空氣中的氧氣來發(fā)電。在充電過程中，它們只向大氣中釋放氧氣。雖然不太耐用，這些高能量密度的電池是可充電的，可以像鋰離子電池一樣儲存和放電，但更安全、更便宜。

在早期的研究階段，研究小組探索了一種高溫鐵-空氣電池的設(shè)計，這種電池使用熔鹽作為一種電解質(zhì)，通過加熱來激活導(dǎo)電性。廉價和易燃的熔鹽有助于給電池留下深刻的能量儲存和電力能力和漫長的生命周期。

然而，熔鹽也具有不利的特性。諾丁漢大學(xué)研究負責人喬治·陳教授說：“在極熱條件下，熔鹽會具有侵蝕性、揮發(fā)性和蒸發(fā)或泄漏，這對電池設(shè)計的安全性和穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。迫切需要對這些電解液特性進行微調(diào)，以提高電池性能，并使其能夠在未來的電力運輸中使用?！?/p>

目前，研究人員已經(jīng)成功地改進了這項技術(shù)，使用固體氧化物納米粉體，將熔鹽轉(zhuǎn)變?yōu)檐浌腆w鹽。領(lǐng)導(dǎo)這一合作項目的中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所王建強教授預(yù)測，這種準固態(tài)（QSS）電解液適用于在800℃下工作的金屬空氣電池；因為它抑制了在如此高的工作溫度下可能發(fā)生的熔鹽的蒸發(fā)和流動性。

項目合作者，來自中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的程鵬博士，解釋了這項實驗研究的獨特和有用的設(shè)計方面。準凝固是利用納米技術(shù)來構(gòu)建一個由固體氧化物顆粒組成的柔性連接網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的，這些固體氧化物顆粒起到了鎖定熔鹽電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)屏障的作用，同時仍然允許它們在極熱下安全導(dǎo)電。

領(lǐng)導(dǎo)諾丁漢熔鹽電解實驗室的陳教授希望，該團隊的“令人鼓舞的成果”將有助于建立一種更簡單、更有效的方法，設(shè)計出低成本、高性能、高穩(wěn)定性和安全性的熔鹽金屬空氣電池。

他補充道：“經(jīng)過改進的熔鹽鐵氧電池在新市場有著巨大的潛在應(yīng)用，包括電力運輸和可再生能源，這需要在我們的家庭和電網(wǎng)層面上提供創(chuàng)新的存儲解決方案。原則上，這種電池還能夠儲存太陽能和電能，這對于家庭和工業(yè)能源的需求都是非常理想的。目前，熔鹽在西班牙和中國被大規(guī)模用于收集和儲存太陽能，然后將太陽能轉(zhuǎn)化為電能我們的熔鹽金屬空氣電池在一個設(shè)備中完成兩項工作?！?/p>

全文“用于可充電高溫熔鹽鐵空氣電池的準固態(tài)電解質(zhì)”概述了這一結(jié)果，發(fā)表在《儲能材料》雜志上。

什么是熔鹽電池？

熔融鹽電池是一類使用熔融鹽作為電解質(zhì)的電池，具有高能量密度和高功率密度。傳統(tǒng)的非充電式熱電池在通過加熱激活之前，可以在室溫下長時間固態(tài)保存。液態(tài)金屬可充電電池用于工業(yè)備用電源，特殊電動汽車和電網(wǎng)儲能，以平衡間歇性可再生能源，例如太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機。

熔鹽電池的優(yōu)點

熔鹽電池與固態(tài)電池相比有幾個固有的優(yōu)點。由于部分（或液態(tài)金屬電池的全部）組件是液態(tài)的，因此在大規(guī)模應(yīng)用中，電池具有更高的電流密度、更長的循環(huán)壽命和簡化的制造方案。由于不涉及膜或分離器系統(tǒng)，循環(huán)壽命更高，能源效率可保持較長時間。電網(wǎng)規(guī)模的儲能公司Ambri此前曾表示，鉛銻和鋰液態(tài)金屬電池在10年的日常充放電循環(huán)中應(yīng)能保持85%的初始效率。由于電池本質(zhì)上是一個包含3個液相的容器，所以結(jié)構(gòu)非常簡單，只需將較重的金屬倒入底部，將電解液倒入中間，將較輕的電極倒入底部頂部。頂部這種設(shè)計的主要缺點是需要較高的工作溫度來保持部件處于液態(tài)。然而，在電網(wǎng)規(guī)模的應(yīng)用中，利用充電和放電循環(huán)中產(chǎn)生的熱量可以很容易地維持這些升高的溫度。

熔鹽電池的歷史

實際上，最初的熔融鹽電池根本不打算長時間工作，而是用作炸彈和火箭的單激活一次電池。由德國第二次世界大戰(zhàn)時期的科學(xué)家喬治·奧托·埃爾布（GeorgOttoErb）發(fā)明的首批實用電池被稱為熱電池，盡管在戰(zhàn)爭期間從未使用過，但美國軍械發(fā)展司最終將獲得該技術(shù)并將其用于火箭，炸彈甚至是動力。核。這些早期的電池可以在固態(tài)狀態(tài)下無限期（超過50年），同時提供巨大的電量。如今，熱電池仍被用作AIM-9響尾蛇，BGM-109戰(zhàn)斧和MIM-104愛國者等的主要動力來源。

1966年，福特汽車公司發(fā)明了用于電動汽車的鈉硫（NaS）液態(tài)金屬電池。高功率密度和高能量容量看起來很有希望，但是290-390°C的高工作溫度導(dǎo)致福特放棄了研發(fā)。1983年，東京電力公司（TEPCO）和NipponGaishiKaisha（NGK）意識到了NaS電池系統(tǒng)作為電網(wǎng)存儲解決方案的潛力，并開始研究和開發(fā)該技術(shù)。1993年，這種系統(tǒng)的第一個大規(guī)模原型在東京電力公司的Tsunashima變電站進行了現(xiàn)場測試。該系統(tǒng)由三個2MW，6.6KV電池組組成。這為NGK/TEPCO聯(lián)盟當前的網(wǎng)格存儲NaS電池系列奠定了基礎(chǔ)，后者每年可產(chǎn)生90兆瓦的存儲容量。

同時，1985年，在南非比勒陀利亞，由科學(xué)和工業(yè)研究委員會的JohanCoetzer博士領(lǐng)導(dǎo)的非洲沸石電池研究項目（ZEBRA）發(fā)明了首個氯化鈉鎳電池。它的比能為90Wh/kg，是一種非常穩(wěn)定的β氧化鋁固體電解質(zhì)，并且比NaS具有更高的耐腐蝕性。這種設(shè)計雖然新穎，但尚未見到大規(guī)模的商業(yè)網(wǎng)格存儲應(yīng)用，并且仍然是電池研究與開發(fā)的熱門話題。但是，它們已由FIAMMSonick部署并用于ModecElectricVan。

不同類型的熔鹽電池

熱（非充電）電池

用于為火箭和提供動力的熱電池是一次電池，旨在在短時間內(nèi)（從幾秒鐘到一個多小時不等）提供高功率。通常有兩種類型的設(shè)計。第一種方法是使用炸藥條，該炸藥條由鋯金屬粉末和鉻酸鋇在陶瓷紙中沿熱丸的邊緣點燃，以點燃燃燒過程。引信條由施加電流的引爆管點燃。第二個是在電池堆中央的孔，當電觸發(fā)點火時，該孔會充滿白熾燈顆粒和熱氣體的混合物。該過程更快，大約為幾十毫秒，而引信帶設(shè)計則為數(shù)百毫秒。當今的熱電池利用由二硫化鐵或二硫化鈷與鋰硅或鋰鋁合金構(gòu)成的陰極。但是，較早的化學(xué)方法使用鎂或鈣陽極，鉻酸鈣，氧化鎢或釩陰極。所有這些設(shè)計都使用了熔融鹽電解質(zhì)層，通常由氯化鋰和氯化鉀組成。共晶電解質(zhì)也已經(jīng)使用溴化鋰，并且溴化鉀也已經(jīng)被用來增加循環(huán)壽命。

鈉硫電池

鈉硫（NaS）電池由廉價且豐富的材料制成。典型的設(shè)計包括在陽極和陰極之間的固體電解質(zhì)膜，該膜被裝入裝有鉻和鉬內(nèi)部保護的鋼制圓筒中。電池中心的熔融鈉充當陽極，向外部電路提供電子。鈉芯包裹在β-氧化鋁固體電解質(zhì)（BASE）圓柱體中，該圓柱體有助于Na+離子向外部硫電極（作為陰極）移動，同時防止兩個電極短路。NGK目前經(jīng)營著一系列成功的網(wǎng)格存儲NaS電池，并且被認為是服務(wù)于北美，亞洲和歐洲的全球最大的網(wǎng)格規(guī)模電池供應(yīng)商。

氯化鈉鎳電池

氯化鈉鎳（Na-NiCl2）電池也使用熔融的鈉芯，但在放電狀態(tài)下使用鎳作為正極，在充電狀態(tài)下使用氯化鎳。兩種形式的鎳電極均不溶于其液態(tài)，并且將鈉導(dǎo)電的β氧化鋁陶瓷用作隔膜。代替NaS電池中存在的純元素鈉，四氯鋁酸鹽（NaAlCl4）核是優(yōu)選的。Na-NiCl2電池有時也稱為鈉金屬鹵化物電池，除了具有較長的使用壽命，在放電狀態(tài)下組裝的能力以及比NaS更安全的化學(xué)性質(zhì)外，還具有優(yōu)勢。Na-NiCl2電池的正常工作溫度范圍是270-350°C，但是有一家公司住友化學(xué)能夠使用鹽在61°C的溫度下融化并在90°C的溫度下運行開發(fā)出類似的化學(xué)反應(yīng)。他們最初計劃在2015年下半年進行商業(yè)試用，因此只有時間能證明它們在市場上的運作方式。

液態(tài)金屬電池

液態(tài)金屬電池是設(shè)計用于電網(wǎng)存儲應(yīng)用的新型熔融鹽電池。液態(tài)金屬電池是由麻省理工學(xué)院（MIT）材料教授DonaldSadoway于2009年首次提出的，它由一個底部裝有熔融銻陰極的集電容器，中間層的鹽電解質(zhì)和液態(tài)鎂組成頂部為金屬陽極。鎂由于其低成本和對熔融鹽電解質(zhì)的低溶解性而被最初選擇，但較高的工作溫度為700°C促使他在2011年將化學(xué)方法轉(zhuǎn)換為鋰基陽極。較高的工作溫度是不受歡迎的，因為它導(dǎo)致較高的溫度。腐蝕速率，降低總存儲效率并增加電池壽命內(nèi)的成本。

液態(tài)金屬電池

Sadoway的液態(tài)金屬電池因其材料成本低和能源效率高而特別適合電網(wǎng)存儲應(yīng)用。目前，銻（Sb）的價格為每摩爾1.23美元，當與堿土負極一起使用時，會產(chǎn)生較高的電池電壓。當與鋰（Li）電極耦合時，液態(tài)金屬化學(xué)物質(zhì)在200mA/cm2恒電流放電條件下測得的平均電池電壓為0.92V。Li在極低的180°C溫度下熔化，與鹵化鋰鹽的溶解度低，從而降低了自放電的可能性。與替代的基于鈉（Na）的熔融電池化學(xué)工藝相比，它在能源效率方面擁有優(yōu)勢。

液態(tài)金屬電池如何工作？

盡管目前尚無關(guān)于Ambri當前的Li和Sb-Pb的信息，但Sadoway已公開證實其與他最初的鎂銻化學(xué)（Mg||Sb）相似。在最初的2012年設(shè)計中，負極Mg電極和正極Sb電極由分子式為MgCl2-KCl-NaCl的熔融鹽電解質(zhì)隔開。密度差異形成陽極，電解質(zhì)和陰極的三個不同層。放電時，Mg發(fā)生氧化反應(yīng)，生成Mg2+，該Mg2+溶于電解質(zhì)和2個自由電子，這些電子釋放到外部電路中。Mg2+陽離子同時還原為Mg，并沉積到Sb陰極中，在那里它們結(jié)合在一起形成Mg-Sb液態(tài)金屬合金。在充電過程中，會發(fā)生相反的情況，電流驅(qū)動Mg-Sb合金中的Mg并以液態(tài)Mg的形式返回到頂部負極。液體電極的這種膨脹和收縮是液體金屬電池所獨有的，并且允許電極在每個充電和放電循環(huán)中有效地再生，從而有效地增加了電池的壽命。

電網(wǎng)儲能和熔鹽電池的未來

DonaldSadoway的Ambri，NGK和Sumitomo等公司正在繼續(xù)推動熔融鹽化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，因為投資者和整個能源行業(yè)開始認識到更好的電池對于電網(wǎng)規(guī)模儲能的重要性。Ambri計劃向阿拉斯加的一個試點電網(wǎng)，夏威夷的風(fēng)力和太陽能發(fā)電廠以及曼哈頓的一個變電站運送6噸10噸的原型。NGK和三菱電機公司正在為九州電力公司建設(shè)一個50,000千瓦的電池系統(tǒng)，以支持日本國家改用太陽能的倡議。在麻省理工學(xué)院最近發(fā)表的題為《太陽能的未來》的2015年出版物中，人們發(fā)現(xiàn)當今人類從各種能源中消耗15兆瓦的電能。該報告還顯示，太陽能技術(shù)已經(jīng)達到人類需要利用太陽能并滿足這種能源需求的地步。在德國，意大利和西班牙，太陽能已經(jīng)實現(xiàn)了電網(wǎng)平價，德國率先使用太陽能發(fā)電，占其發(fā)電量的45％。顯而易見的是，儲能是世界充分獲得可再生能源優(yōu)勢的最后難題。與用于更好的可再生能源技術(shù)上的資金相比，用于電網(wǎng)規(guī)模的儲能方面的投資將具有更大的分量。顯而易見的是，儲能是世界充分獲得可再生能源優(yōu)勢的最后難題。與用于更好的可再生能源技術(shù)上的資金相比，用于電網(wǎng)規(guī)模的儲能方面的投資將具有更大的分量。顯而易見的是，儲能是世界充分獲得可再生能源優(yōu)勢的最后難題。與用于更好的可再生能源技術(shù)上的資金相比，用于電網(wǎng)規(guī)模的儲能方面的投資將具有更大的分量。