【前言】

新能源儲能領(lǐng)域在最近20年得到了快速的發(fā)展，從大的發(fā)電站儲能，新能源電動車，到相對較小的便攜式電子設(shè)備，和醫(yī)用小心電子設(shè)備都具有廣泛的應(yīng)用。自從1991年鋰電池第一次被商業(yè)化成功后，它就開啟了主導(dǎo)儲能市場之路。由于龐大和快速擴大的市場以及它本身的一些缺陷，鋰電池的進一步發(fā)展也遇到一些障礙。目前，國際鋰電池專家正在努力去突破這些缺陷和障礙。但是，為了補充或者部分替代鋰離子電池市場，挖掘和發(fā)展新型儲能設(shè)備也是很重要的一個發(fā)展方向，從而更好地去完整現(xiàn)在的儲能領(lǐng)域。那么，從目前的研發(fā)領(lǐng)域來看，哪些先進的技術(shù)是更有潛力呢？

1.鋰電池的發(fā)展和挑戰(zhàn)

2019年，諾貝爾化學(xué)獎頒給了三個在鋰電池領(lǐng)域的科學(xué)家，JohnB.Goodenough，StanleyM.Whittingham，AkiraYoshino，以表彰他們對鋰離子電池的發(fā)展和應(yīng)用所做的貢獻。諾貝爾化學(xué)委員會，給出的評語是：他們創(chuàng)造了一個可重放的世界（Theycreatedarechargeableworld）。這其實是對鋰離子電池發(fā)展的一個很大的鼓舞。

對于鋰電池的研究由來已久，但是早期對于電池中的離子儲存機理的認識還是傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)。1970年代whittinham等人提出了離子的脫嵌機理，從而正式開啟了搖椅式離子電池。在鋰離子電池被大量研究之前，對于鈉離子的儲存研究還是主要的研究方向。但是，Goodenough先后發(fā)現(xiàn)了具有脫嵌機理的LiCoO2和LiFePO4材料。隨后Yoshino等人通過結(jié)合碳材料和LiCoO2首次研究出了可商業(yè)化使用的鋰離子電池。隨后由于市場對于電池能量密度的需求越來越高，先后研究出了不同的正極材料來滿足這些需求。從目前來看，鋰離子的電池已經(jīng)完全主導(dǎo)了儲能市場，并且有要完全取代傳統(tǒng)電池的趨勢。由于石油可能帶來的危機和大量使用石油所帶來的環(huán)境問題，電動車已經(jīng)是被認可的未來的交通工具。但是由于長續(xù)航電動車所需要的電池量是巨大的，以及生產(chǎn)鋰電池電極材料所需要的資源有限，無法完全滿足現(xiàn)在和未來的市場需求。那么，在后鋰電時代，我們需要思考哪些技術(shù)可以填補或者替代一些市場需求。

2.潛在的替代或者共存儲能技術(shù)

現(xiàn)在資本家和各國政府對于鋰離子電池的市場熱度來看，可能現(xiàn)在不適合討論這個話題，但是從長遠發(fā)展考慮，這是一個無法被忽視的問題。

2.1新型離子電池

從鋰離子的脫嵌式儲存機理來選擇的話，具有脫嵌功能的，并且質(zhì)量相對輕的離子，比如鈉離子，鎂離子，鉀離子等完全是一個潛在的選擇。相比于鋰離子，這些離子還有另外一個優(yōu)勢是價格低廉，并且資源豐富分布均勻。從地殼的資源分布來看，鈉，鎂，鉀等離子的濃度是鋰離子的幾千倍之多。這樣的話就可以有機會實現(xiàn)價格低廉的儲能設(shè)備。這些新型離子電池的另外一個最大的優(yōu)勢是可以用到現(xiàn)在存在和即將建設(shè)的大量的鋰離子電池的生產(chǎn)線，因為他們具有相同的儲能機理和相似的電池結(jié)構(gòu)。

但是由于這些離子的質(zhì)量鋰離子大，所以他們都有一個通病，能量密度比鋰離子電池低。此外，雖然這些離子的遷移速率理論上要比鋰離子大，但是受到離子尺寸的影響，它們的實際的離子遷移速率要比鋰離子的小。從實際應(yīng)用來看，這些新型離子電池，無論是能量密度和充放電速度，都是這些電池的短板。它們的在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。但是在大規(guī)模儲能市場領(lǐng)域還是有很大的應(yīng)用潛力，例如發(fā)電站等。如果在某些方面有很大的突破的話，它們完全有希望在儲能領(lǐng)域占據(jù)一席之地。

2.2多價態(tài)金屬電池

多價態(tài)金屬電池是采用多價態(tài)的金屬作為負極，例如鎂，鋁等，以及其他碳和硫作為正極。由于這些金屬是多價態(tài)，它們們可以轉(zhuǎn)移2個或者3個電子，從而具有更高的能量密度。此外，它們的儲量也比鋰豐富，有機會實現(xiàn)高能量和低成本的儲能電池。從價格來看，這些金屬的價格不到碳酸鋰的20%。并且，鎂和鋁金屬的產(chǎn)量也是遠高于碳酸鋰。可以大大降低儲能成本。安全性也是鋰離子電池需要認真考慮的問題。鋰金屬的熔點是180度，但是鎂和鋁的熔點超過600攝氏度，它們的熱穩(wěn)定性要遠高于鋰金屬。此外，快速的表面氧化也可以其到保護作用。由于離子能夠儲存多個電子，因此它們理論上具有更高的能量密度。

從實際應(yīng)用來看，這些多價態(tài)的金屬電池具有低價，熱穩(wěn)定性和安全性更好，因此適用于大規(guī)模儲能的市場。這類電池很難在電動車上使用，但是可以作為一個鋰電池的補充或者延長電動的里程的工具。跟新型離子電池相比，多價態(tài)的金屬電池還是處于研發(fā)的初級階段。想要達到實際的應(yīng)用水平，還需要有很多問題需要解決，比如開發(fā)使用的電解液和電極材料等。

2.3液流電池

液流電池包含了氧化還原以及燃料電池的儲能機理。這款電池包括兩個燃料罐，電極，隔膜和電機。在兩個外接的容器中，裝有氧化和還原的溶劑，常用的是釩基溶劑。由于有機溶劑具有成本優(yōu)勢，因此有機溶劑也是被認為是具有潛力的燃料。該類電池最大的優(yōu)點就是極高的能量密度，較寬工作溫度區(qū)間和超長的循環(huán)性能。成本上，有機系的液流電池會比釩化物的電池低一半。成本上有機系電池雖然價格較低，但是液流成本總體上還是遠高于鋰離子電池。技術(shù)不成熟也是很大的一部分原因。從安全性和環(huán)保性能上來說，不管是有機物，釩化物和具有發(fā)射性的物質(zhì)都是安全性低和環(huán)境不友好性的物質(zhì)。

綜合以上因素，液流電池和以上的兩款電池一樣，也是適合在大范圍儲能方面使用。但是它也適合在緊急用電設(shè)備，因為它能長時間儲存。總的來看，液流電池還是處于研發(fā)階段，還是需要開發(fā)新型的低價、無毒以及環(huán)境友好型的材料是首要的任務(wù)。此外，還需要開發(fā)簡易的儲氫設(shè)備。

【總結(jié)】

從目前的情況來看，目前還是沒有一款儲能設(shè)備能夠完全取代鋰離子電池，滿足如此廣泛的市場需求。但是，受到資源的限制和應(yīng)對快速的市場發(fā)展需求，不得不考慮要發(fā)展新型的儲能設(shè)備。以上討論幾款最近研究比較熱門和討論的比較多的，并且有潛力能取代鋰離子電池的儲能設(shè)備。但是根據(jù)目前的研究進展和分析，它們都有各自的優(yōu)缺點，都具有能夠取代部分鋰離子電池市場的潛力，例如大規(guī)模儲能市場，緊急設(shè)備等。因此，它們可以成為與鋰離子電池共存的技術(shù)，從而降低鋰離子電池的市場壓力。