后锂电池时代：有哪些技术可以选择？

前言：

新能源储能领域在最近20 年得到了快速的发展，从大的发电站储能，新能源电动车，到相对较小的便携式电子设备，和医用小心电子设备都具有广泛的应用。自从1991年锂电池第一次被商业化成功后，它就开启了主导储能市场之路。由于庞大和快速扩大的市场以及它本身的一些缺陷，锂电池的进一步发展也遇到一些障碍。目前，国际锂电池专家正在努力去突破这些缺陷和障碍。但是，为了补充或者部分替代锂离子电池市场，挖掘和发展新型储能设备也是很重要的一个发展方向，从而更好地去完整现在的储能领域。那么，从目前的研发领域来看，哪些先进的技术是更有潜力呢？

 1. 锂电池的发展和挑战

2019年，诺贝尔化学奖颁给了三个在锂电池领域的科学家，John B. Goodenough，Stanley M. Whittingham，Akira Yoshino，以表彰他们对锂离子电池的发展和应用所做的贡献。诺贝尔化学委员会，给出的评语是：他们创造了一个可重放的世界 （They created a rechargeable world）。这其实是对锂离子电池发展的一个很大的鼓舞。

对于锂电池的研究由来已久，但是早期对于电池中的离子储存机理的认识还是传统的化学反应。1970年代whittinham等人提出了离子的脱嵌机理，从而正式开启了摇椅式离子电池。在锂离子电池被大量研究之前，对于钠离子的储存研究还是主要的研究方向。但是，Goodenough先后发现了具有脱嵌机理的LiCoO₂和LiFePO₄材料。随后Yoshino等人通过结合碳材料和LiCoO₂首次研究出了可商业化使用的锂离子电池。随后由于市场对于电池能量密度的需求越来越高，先后研究出了不同的正极材料来满足这些需求。从目前来看，锂离子的电池已经完全主导了储能市场，并且有要完全取代传统电池的趋势。由于石油可能带来的危机和大量使用石油所带来的环境问题，电动车已经是被认可的未来的交通工具。但是由于长续航电动车所需要的电池量是巨大的，以及生产锂电池电极材料所需要的资源有限，无法完全满足现在和未来的市场需求。那么，在后锂电时代，我们需要思考哪些技术可以填补或者替代一些市场需求。

 2. 潜在的替代或者共存储能技术

现在资本家和各国政府对于锂离子电池的市场热度来看，可能现在不适合讨论这个话题，但是从长远发展考虑，这是一个无法被忽视的问题。

2.1 新型离子电池

从锂离子的脱嵌式储存机理来选择的话，具有脱嵌功能的，并且质量相对轻的离子，比如钠离子，镁离子，钾离子等完全是一个潜在的选择。相比于锂离子，这些离子还有另外一个优势是价格低廉，并且资源丰富分布均匀。从地壳的资源分布来看，钠，镁，钾等离子的浓度是锂离子的几千倍之多。这样的话就可以有机会实现价格低廉的储能设备。这些新型离子电池的另外一个最大的优势是可以用到现在存在和即将建设的大量的锂离子电池的生产线，因为他们具有相同的储能机理和相似的电池结构。

但是由于这些离子的质量锂离子大，所以他们都有一个通病，能量密度比锂离子电池低。此外，虽然这些离子的迁移速率理论上要比锂离子大，但是受到离子尺寸的影响，它们的实际的离子迁移速率要比锂离子的小。从实际应用来看，这些新型离子电池，无论是能量密度和充放电速度，都是这些电池的短板。它们的在相关领域的应用受到了限制。但是在大规模储能市场领域还是有很大的应用潜力，例如发电站等。如果在某些方面有很大的突破的话，它们完全有希望在储能领域占据一席之地。

2.2 多价态金属电池

多价态金属电池是采用多价态的金属作为负极，例如镁，铝等，以及其他碳和硫作为正极。由于这些金属是多价态，它们们可以转移2个或者3个电子，从而具有更高的能量密度。此外，它们的储量也比锂丰富，有机会实现高能量和低成本的储能电池。从价格来看，这些金属的价格不到碳酸锂的20%。并且，镁和铝金属的产量也是远高于碳酸锂。可以大大降低储能成本。安全性也是锂离子电池需要认真考虑的问题。锂金属的熔点是180度，但是镁和铝的熔点超过600摄氏度，它们的热稳定性要远高于锂金属。此外，快速的表面氧化也可以其到保护作用。由于离子能够储存多个电子，因此它们理论上具有更高的能量密度。

从实际应用来看，这些多价态的金属电池具有低价，热稳定性和安全性更好，因此适用于大规模储能的市场。这类电池很难在电动车上使用，但是可以作为一个锂电池的补充或者延长电动的里程的工具。跟新型离子电池相比，多价态的金属电池还是处于研发的初级阶段。想要达到实际的应用水平，还需要有很多问题需要解决，比如开发使用的电解液和电极材料等。

2.3 液流电池

液流电池包含了氧化还原以及燃料电池的储能机理。这款电池包括两个燃料罐，电极，隔膜和电机。在两个外接的容器中，装有氧化和还原的溶剂，常用的是钒基溶剂。由于有机溶剂具有成本优势，因此有机溶剂也是被认为是具有潜力的燃料。该类电池最大的优点就是极高的能量密度，较宽工作温度区间和超长的循环性能。成本上，有机系的液流电池会比钒化物的电池低一半。成本上有机系电池虽然价格较低，但是液流成本总体上还是远高于锂离子电池。技术不成熟也是很大的一部分原因。从安全性和环保性能上来说，不管是有机物，钒化物和具有发射性的物质都是安全性低和环境不友好性的物质。

综合以上因素，液流电池和以上的两款电池一样，也是适合在大范围储能方面使用。但是它也适合在紧急用电设备，因为它能长时间储存。总的来看，液流电池还是处于研发阶段，还是需要开发新型的低价、无毒以及环境友好型的材料是首要的任务。此外，还需要开发简易的储氢设备。

总结

从目前的情况来看，目前还是没有一款储能设备能够完全取代锂离子电池，满足如此广泛的市场需求。但是，受到资源的限制和应对快速的市场发展需求，不得不考虑要发展新型的储能设备。以上讨论几款最近研究比较热门和讨论的比较多的，并且有潜力能取代锂离子电池的储能设备。但是根据目前的研究进展和分析，它们都有各自的优缺点，都具有能够取代部分锂离子电池市场的潜力，例如大规模储能市场，紧急设备等。因此，它们可以成为与锂离子电池共存的技术，从而降低锂离子电池的市场压力。

参考文献 

1. Side by Side Battery Technologies with Lithium-Ion Based Batteries. Advanced energy materials. 2020, 10, 2000089.

2. Foundations for the future. Nature energy. 2016, 16147.

3. New energy storage devices for post lithium-ion batteries. Energy Environ. Sci., 2013, 6, 2256-2256.

4. Beyond Lithium-Based Batteries. Materials 2020, 13, 425.

本文由锂电小学生供稿。

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