爆火的氢能源电池，现在都有哪些地方用上了？

2022-09-01 15:53:38  信息编号：K223371  浏览次数：161

最近发表在《能源》杂志上的一篇论文回顾了氢存储系统和电池的最新发展。

背景

目前，储氢系统和电池是储能最可行的选择。根据储能应用，这两种储能方法要么被视为互补技术，要么被视为替代技术。

电池需要较低的维护、易于操作并具有更高的能量容量，而储氢系统具有更好的重量和体积密度。然而，储氢系统需要低温或高温才能运行。

在这项研究中，研究人员回顾了当前涉及氢存储系统和电池的技术及其商业应用，以彻底了解这些储能技术的演变。

电池

传统电池、熔盐电池、氧化还原液流电池和最新的金属-空气电池是用于储能的主要电池技术。

常规电池技术

传统电池，例如锂离子 (Li-ion)、镍镉 (Ni-Cd) 和铅酸电池，广泛用于多种商业应用。在所有传统电池中，都会发生氧化还原反应，其中一个电极释放电子，这些电子用于为外部电路中的负载供电，然后被带到另一个电极。

尽管铅酸电池用于混合动力电动汽车 (HEV)、潜艇和飞机，但这些电池在功率性能和比能量方面存在一些问题。与铅酸电池相比，镍镉电池的维护成本低，因为它们具有更高的耐腐蚀性。

这些电池目前用于便携式电子应用中。然而，高昂的初始成本和使用有毒材料生产镍镉电池是使用这种电池技术的主要挑战。

可充电锂离子电池是最高效的传统电池技术，使用寿命相对较长。这些电池通常用于电子和医疗设备，例如心脏起搏器。然而，锂是一种昂贵的材料，其生产在地理上是不可持续的，这需要开发合适且更便宜的替代品，例如能量容量与锂离子电池相似的钠电池。

锂离子电池的生命周期范围为 1000-10,000 次，而铅酸电池和镍镉电池的寿命周期分别为 500-2500 和 2000-2500 次。此外，与其他传统电池相比，锂离子电池还表现出更高的往返效率和最高的比能量。

熔盐电池

钠硫电池、ZEBRA 电池等熔盐电池的运行依赖于 260 ℃时钠离子电导率大于 0.2 S/cm。因此，这些电池通常用于温度范围为 270 °C 至 350 °C 的应用中。

在 ZEBRA 和钠硫电池中，由氧化铝 (β-Al 2 O 3 ) 制备的陶瓷电解质在负极和正极之间转移钠离子。熔盐电池由于没有电荷损失而表现出高效率，适用于电动汽车。

此外，与传统电池相比，它们具有显着更高的比能量和寿命。然而，熔盐电池需要高工作温度是一个主要缺点，因为它会降低电池效率并产生自放电问题。

钠硫电池的生命周期范围为 2500-4500，而 ZEBRA 电池的生命周期为 2600-4000。此外，与 ZEBRA 电池相比，钠硫电池表现出更高的往返效率和更高的比能量。

氧化还原液流电池

在氧化还原液流电池中，反应物溶解在电解质溶液中并储存在外部罐中。随后，额外的设备平衡装置（例如泵）用于使储存的电解液流动。这些电池的寿命不受传统可充电电池放电深度的影响，这是一个主要优势。

溴化锌 (ZNBR) 电池、钒 (VRB) 电池和铁铬 (ICB) 电池是目前用于储能应用的主要氧化还原液流电池。其中，VRB的生命周期最高，而ICB和ZNBR的往返效率和比能量分别最高。

金属空气电池

金属-空气电池的开发是为了实现具有更高比能量和更低维护要求的电池。这些电池由开放式电池结构组成，一侧是锌/锂电极，另一侧是氧电极。

锌空气电池和锂空气电池是主要的二次金属空气电池。尽管这些电池表现出很高的潜力，但空气阴极和金属阳极的几个问题以及电池的短寿命使其不适合实际应用，例如电化学储能或电动汽车。

在四种电池技术中，传统电池的往返效率最高，而金属空气电池和氧化还原液流电池分别具有最高的比能量和生命周期。

储氢系统

与其他化石燃料相比，氢的低热值 (LHV) 为 120 MJ/kg，因此被用作能源载体。然而，在环境温度和压力下，0.0899 g/L 的低体积密度氢气是使用储氢系统的主要缺点。

该密度大大低于美国（US）能源部（DoE）和欧盟（EU）为储氢设定的体积密度目标。开发了几种技术，如压缩储氢、液态氢储存和金属氢化物储存，以实现储氢所需的体积密度。

压缩氢气储存

目前，压缩储氢是最常用的储氢方式。在该方法中，氢气在金属复合罐中以特定压力加压。根据氢气和储罐的使用，压力范围可以从 200 巴到 700 巴。

这种方法可用于频繁、反复地对罐中的氢气进行充放电长达 20 年。通常使用更高的压力来实现接近液态氢/ 70.8 gL -1的体积密度。

与 II 型和 I 型储罐相比，IV 型和 III 型储罐因其抗疲劳性、重量轻以及 350 至 700 巴的更高标称工作压力而被广泛用于储存氢气。

因此，这些罐通常用于工业目的或汽车领域。压缩氢存储可用作公共汽车和汽车的小规模储能或微电网中的存储系统。

液氢储存

尽管在液氢储存技术中可以获得相当高的 71 g/L 的体积密度，但处理可能占每天总储存液氢的 0.1-0.2% 的蒸发比是一项重大挑战。

此外，获得液态氢必须达到33 K的氢临界温度，这进一步增加了该方法的复杂性。液态氢储存已作为温度传感器用于海洋应用和航空航天工程。

金属氢化物储存

在环境温度和压力下，金属氢化物可用作不同应用中的储氢材料。在这种方法中，金属氢化物吸收固态氢分子形成金属氢化合物，其中氢紧密地分布在整个金属晶格中。

该反应在一定温度和压力下以平衡状态存在，可根据需要逆转。金属氢化物储氢系统的最大往返效率为 98.94%。

镁、钒、铁、铬、锡、锰、铝、钴和镍可以在这种储存方法中与氢结合。金属氢化物存储可用于多种移动和固定应用，例如铁路、汽车和热存储。

复合氢化物储存

络合物氢化物主要是由共价键合到以氮、硼或铝为中心的络合物阴离子基团的阳离子组成并含有氢的固体离子。金属氢化物分解发生在高温下，而氢化反应发生在高压下。

在这种存储技术中，氢的重量和体积密度根据所使用的材料而有所不同。例如，当氨硼烷用于储存氢气时，可以获得高重量密度和体积密度。然而，加油期间的热管理问题是这种方法的主要缺点。

其他储氢方法

尽管物理吸附和碱金属+水等其他储氢方法已显示出相当大的潜力，但这些方法并未广泛用于商业应用。

在讨论的商业储氢技术中，复合氢化物储存和压缩储氢分别表现出最高的体积密度和往返效率。此外，复合氢化物储存和液氢储存都具有最长的生命周期。

结论

在分析了两大绿色储能系统后，研究人员得出结论，储氢系统可以有效补充未来不同商业应用中的电池。例如，氢气可用于可再生能源发电厂作为长期存储系统，而电池可用作中短期存储解决方案。