石墨烯电池/燃料电池/空气电池等热门电池技术讲解 - 全文

　　电池是将化学反应产生的能量直接转换为电能的一种装作。具有稳定电压，稳定电流，长时间稳定供电，受外界影响很小，并且结构简单，携带方便，充放电操作简便易行，性能稳定可靠的特点，给现代社会生活带来很多便利。

　　1800年，意大利科学家伏打（Volta）将不同的金属与电解液接触做成Volta堆，被认为是人类历史上第一套电源装置。人类先后发明了铅酸蓄电池、以NH4Cl为电解液的锌—二氧化锰干电池、镉-镍电池、铁-镍蓄、碱性锌锰电池和锂离子电池等。随着研究不断深入，近年不断出现新型电池。

　　| 燃料电池

　　燃料电池（Fuel Cell）是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

　　氢-氧燃料电池反应原理，是电解水的逆过程。

　　电极应为：

　　负极：H2 +2OH-→2H2O+2e-

　　正极：1/2O2+ H2O 2e-→2OH-

　　电池反应：H2+ 1/2O2==H2O

　　燃料电池涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

　　燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能，没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，避免中间转换的能量损失，因而能量转换效率比较高。火力发电和核电的效率大约在30%～40%，而燃料电池电能转换效率能达到45%～60%。另外，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，安装地点灵活，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电站，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。负荷响应快，运行质量高；燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率。

　　| 石墨烯电池

　　石墨烯电池，是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间能快速大量穿梭运动的特性，开发出的一种新能源电池。

　　石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于目前已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

　　应用石墨烯材料制成的新型电池，尺寸和重量均将变小，而且能量储存密度得到很大提高。更重要的是，它大大缩短了充电时间，方便了消费者。美国俄亥俄州的Nanotek仪器公司利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新的电池。这种新的电池可把数小时的充电时间压缩至短短不到一分钟。分析人士认为，未来一分钟快充石墨烯电池实现产业化后，将带来电池产业的变革，从而也促使新能源汽车产业的革新。

　　新型石墨烯电池实验阶段的成功，无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛，而目前的电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段，石墨烯储能设备的研制成功后，若能批量生产，则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。

　　正是看到了石墨烯的应用前景，许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研发中心，尝试使用石墨烯商业化，进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用专利。欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”，设立专项研发计划，未来10年内拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所（NGI），力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。

　　中国在石墨烯研究上也具有独特的优势，从生产角度看，作为石墨烯生产原料的石墨，在我国储能丰富，价格低廉。另外，批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯，并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出了7英寸石墨烯触摸屏。

　　| 钠硫电池

　　钠硫电池，是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。在一定的工作度下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。

　　一般常规二次电池如铅酸电池、镉镍电池等都是由固体电极和液体电解质构成，而钠硫电池则与之相反，它是由熔融液态电极和固体电解质组成的，构成其负极的活性物质是熔融金属钠，正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐，由于硫是绝缘体，所以硫一般是填充在导电的多孔的炭或石墨毡里，固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子被称为Al2O3的陶瓷材料，外壳则一般用不锈钢等金属材料。

　　钠硫电池能量密度和转换效率高，是一种能够同时适用于功率型储能和能量型储能的蓄电池，自2003年起，日本和美国相继建设了多个兆瓦级的钠硫电池储能电站。不过钠硫电池的制造比较困难，对电池材料、电池结构要求高，因此制造成本较高。钠硫电池在使用时对运行条件的要求苛刻，必须维持在300～350℃，需要附加供热设备来维持温度。另外，电池运行的控制也比较困难，例如在线测量充放电状态不能做到很准确，必须周期性地进行离线度量；安全性相对也稍差。由于钠硫电池产品的制造比较困难，目前只有少量的钠硫电池产品已经商业化。前几年，上海市电力公司与中科院上海硅酸盐研究所联合开发出大容量钠硫电池，其关键技术和关键工艺已取得重大突破，但是关键装备和工业化生产仍存在巨大差距，国内钠硫电池储能技术和应用在短期内还很难取得突破。

　　钠硫电池具有许多特色之处：一个是比能量（即电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量）高，其理论比能量为760Wh/Kg。另一个是可大电流、高功率放电。其放电电流密度一般可达200-300mA/cm2，并瞬时间可放出其3倍的固有能量；再一个是充放电效率高。由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率几乎100%。当然，事物总是一分为二的，钠硫电池也有不足之处，其工作温度在300-350℃，所以，电池工作时需要一定的加热保温。但采用高性能的真空绝热保温技术，可有效地解决这一问题。

　　| 空气电池

　　锂空气电池是一种用锂作阳极，以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。

　　放电过程：阳极的锂释放电子后成为锂阳离子（Li+），Li+穿过电解质材料，在阴极与氧气、以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂（Li2O）或者过氧化锂（Li2O2），并留在阴极。锂空气电池的开路电压为2.91 V。

　　新型锂空气电池在空气中以0.1A/g的放电率进行放电时，放电能约为9000mAh/g。以前的锂空气电池的放电能仅为700～3000mAh/g，可以说实现了能的大幅增加。另外，充电能也达到约9600mAh/g。如果使用水溶液取代水溶性凝胶，便可在空气中连续放电20天，其放电能约为50000mAh/g，比原来约高10倍。由于锂空气电池的能量原本就比锂离子电池约高10倍，因此使用新技术后共比锂离子电池约高100倍。

　　虽然锂空气电池有明显优点，但缺点也很突出，距离大规模商业化还有一定距离。电池的反应产物过氧化锂及反应中间的产物超氧化锂都有较高的反应活性，会分解电解液，因此几个充放电循环后电池电量就会急剧下降，电池寿命较短；由于过氧化锂导电性能差，充电时很难分解，需要很高的充电电压，这还会导致分解电解液及碳电极等副作用。放电时，过氧化锂会堵塞多孔碳电极，导致放电提前结束；充电时，锂金属负极表面会呈树枝状向正极生长，最终可能导致短路，存在安全隐患；锂金属与空气中的水蒸气、氮气、二氧化碳都会发生反应，导致负极材料消耗，最终使电池失效。

　　| 飞轮电池

　　飞轮电池是20世纪90年代提出的新概念电池，它突破了化学电池 的局限，用物理方法实现储能。

　　飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池“充电”增加了飞轮的转速从而增大其功能；放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能（动能）到电能的转换。当飞轮电池发出电的时，飞轮转速逐渐下降，转速极高（高达200000r/min，使用的轴承为非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能量可达150W ·h/kg，比功率达5000-10000W/kg，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万公里。美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮电池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车，一次充电可行驶 600km，由静止到96km/h加速时间为6.5秒。

　　“飞轮”这一储能元件，已被人们利用了数千年，主要是利用它的惯性来均衡转速和闯过“死点”，由于它们的工作周期都很短，每旋转一周时间不足一秒钟，在这样短的时间内，飞轮的能耗是可以忽略的。现在想利用飞轮来均衡周期长达12~24小时的能量，飞轮本身的能耗就变得非常突出了。能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。人们曾通过改变轴承结构，如变滑动轴承为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等来减小轴承摩擦力，通过抽真空的办法来减小空气阻力，轴承摩擦系数已小到10-3。即使如此微小，飞轮所储的能量在一天之内仍有25%被损失，仍不能满足高效储能的要求。

　　近年来，飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展：一是高能永磁及高温超导技术的出现；二是高强纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的飞速发展。

　　超导磁悬浮原理是这样的：当我们将一块永磁体的一个极对准超导体，并接近超导体时，超导体上便产生了感应电流。该电流产生的磁场刚好与永磁的磁场相反，于是二者便产生了斥力。由于超导体的电阻为零，感生电流强度将维持不变。若永磁体沿垂直方向接近超导体，永磁体将悬空停在自身重量等于斥力的位置上，而且对上下左右的干扰都产生抗力，干扰力消除后仍能回到原来位置，从而形成稳定的磁悬浮。若将下面的超导体换成永磁体，则两永磁体之间在水平方向也产生斥力，故永磁悬浮是不稳定的。

　　利用超导这一特性，我们可以把具有一定质量的飞轮放在永磁体上边，飞轮兼作电机转子。当给电机充电时，飞轮增速储能，变电能为机械能；飞轮降速时放能，变机械能为电能。飞轮储能大小除与飞轮的质量（重量）有关外，还与飞轮上各点的速度有关，而且是平方的关系。因此提高飞轮的速度（转速）比增加质量更有效。但飞轮的转速受飞轮本身材料限制。转速过高，飞轮可能被强大的离心力撕裂。故采用高强度、低密度的高强复合纤维飞轮，能储存更多的能量。目前选用的碳纤维复合材料，其轮缘线速度可达1000米/秒，比子弹速度还要高。正是由于高强复合材料的问世，飞轮储能才进入实用阶段。