电池存储方案采用冻融方法等

为电池储能提供了新的方法，三项研究工作正在利用电子技术和材料科学来应对储能挑战。

对于可再生能源，有效储存电力势在必行。这是因为许多能源的发电速度取决于环境。例如，太阳能电池板在阳光直射下会产生大量电力，但在雨天不会产生那么多电力。

这些可再生能源应用都需要电池能够在更长的时间内保持更多的电荷，这些要求正在推动研究人员走向电子和材料科学的前沿。

在这篇文章中，我们将研究今年公布的三项此类电池存储研究工作。

克服性能下降问题

今年早些时候，美国能源部阿贡国家实验室的一组研究人员宣布了一种新方法，可以克服电池在阴极反复充放电循环时出现的下降。

合成阴极材料的过渡电子显微镜图像（左）。示意图（右）显示了分层阴极结构中引起的应变和应力

合成阴极材料的过渡电子显微镜图像（左）。示意图（右）显示了分层阴极结构中引起的应变和应力。图片由阿贡国家实验室提供

虽然目前锂离子电池用于大多数情况，但阿贡实验室的研究小组在钠离子结构中看到了希望。这是由于许多因素，例如地球上丰富的钠，降低了材料成本。由于电池能够在高电压（例如4.5V）下循环，与锂离子电池相比，钠离子电池的能量密度要高得多。

虽然这些电池有很多优点，但研究小组发现了阴极制备过程中形成的材料缺陷。根据该小组的论文，通过X射线探测和透射电子显微镜发现的这些缺陷会破坏电池的寿命，因为它们最终会导致阴极发生结构地震。

材料上的这些缺陷出现在阴极合成过程中，材料的温度升高到非常高的温度，保持在那里，然后迅速下降。快速下降会导致应变，研究小组通过观察此时表面变得不那么光滑而发现了这一点。

这成为更严重应变的前兆，导致阴极循环过程中最终击穿。发现当阴极在高温环境中循环或应用快速充电时经历高应变时，寿命会特别缩短。

这种研究使团队能够在制造过程中解决这个问题，使钠离子电池既坚固又节能，成本低。

熔盐电池具有“冻融”能力

美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）开发了另一种专门适用于可再生能源储存的新电池技术。4月，PNNL宣布了一种新型熔盐电池，该电池具有“冻融”能力。这种功能允许电池冻结其能量使用，并在需要时解冻以供使用。

正如这部动画所示，长续航电池可以用可再生能源充电，然后在未来几个月需要时放电。

正如这部动画所示，长续航电池可以用可再生能源充电，然后在未来几个月需要时放电。图片由美国能源部PNNL提供（点击打开动画gif）

对于电流，电池必须加热到180°C，使电解质变成液体，允许离子移动，而在室温下，电解质变成固体，离子几乎停止移动。

根据该团队发表在《细胞报告》上的论文，这一过程允许人们控制何时使用能源以及何时节约能源。这是由于固体电解质在闲置时不会自放电，因为它能够在12周内保持92.3%的容量。

电池的阳极和阴极分别由地球上丰富的铝和镍以及另一种低成本材料硫制成。同时，被称为隔膜的电池组件通常由昂贵的陶瓷材料制成，由简单的玻璃纤维制成。

使用氮化硼提高导热性

最后，但同样重要的是，中国浙江大学的Yingying Lu领导的一个研究小组开发了一种超快电池散热方法。正如他们在研究论文中所解释的那样，在高能量密度和快速充电应用中，热量会引起各种安全问题。在这种应用中，正常的空气和液体冷却是不够的。

此处展示的是一种h-BN/PW复合材料，其具有有序且相互连接的热网络，该网络来源于冰模板结合的冷冻干燥方法。

此处展示的是一种h-BN/PW复合材料，其具有有序且相互连接的热网络，该网络来源于冰模板结合的冷冻干燥方法。图片由陆莹莹及合著者提供（点击放大）

考虑到这一点，许多人开始研究相变材料。其中一个特别感兴趣的是石蜡，因为它具有高潜热容量和低成本。然而，石蜡的导热性低，阻碍了该材料从电池有效传递热量的能力。

该团队通过引入高度有序的六方氮化硼网络，找到了一种将导热系数提高八倍的方法，使导热系数达到1.86 Wm-1K-1。这种材料变化导致电池的表面温度降低了6.9°C，在连续充放电过程中裸材料的温度提高了2°C至5°C。

迈向更高效电池的重要一步

总的来说，电池技术的这些进步能够使我们的电池更小、更具成本效益、更能长时间储存能量、更容易冷却。这些都是朝着能够维持我们计划的绿色未来的电池迈出的重要一步。