研究人員研發(fā)無陽極鋅基電池 鋅基電池有望大規(guī)模商業(yè)化嗎？

風(fēng)能和太陽能等可再生能源可以幫助減少世界對(duì)化石燃料的依賴。但是首先，電力公司需要一種安全，經(jīng)濟(jì)高效的方式來存儲(chǔ)能量以備后用。大型鋰離子電池可以勝任這項(xiàng)工作，但是它們存在安全問題和鋰供應(yīng)有限的問題?，F(xiàn)在，研究人員在ACS的《NanoLetters》中進(jìn)行了報(bào)道，他們已經(jīng)制作了無陽極，鋅基電池的原型，該電池使用了低成本，自然豐富的材料。

鋅基水性電池由于其安全性和高能量密度，曾被用于網(wǎng)格規(guī)模的能量存儲(chǔ)。另外，用于制造它們的材料自然豐富。然而，迄今為止開發(fā)的可再充電鋅電池需要厚的鋅金屬陽極，其包含大量過量的鋅，這增加了成本。另外，陽極容易形成樹枝狀晶體（鋅金屬在充電過程中沉積在陽極上的晶體突起），可能會(huì)使電池短路。朱云培，崔翠和HusamAlshareef懷疑是否真的需要鋅陽極。研究人員從先前對(duì)“無陽極”鋰和鈉金屬電池的探索中汲取了靈感，決定制造一種電池，其中富鋅陰極是在銅集流體上唯一鍍鋅的來源。

研究人員在電池中使用了二氧化錳陰極，該陰極預(yù)先嵌入了鋅離子，三氟甲磺酸鋅水溶液和銅箔集電器。在充電過程中，鋅金屬會(huì)鍍?cè)阢~箔上，而在放電過程中，金屬會(huì)被剝離，釋放出為電池供電的電子。為了防止形成樹枝狀晶體，研究人員在銅集流體上涂了一層碳納米圓盤。該層促進(jìn)了均勻的鍍鋅，從而防止了枝晶，并提高了鍍鋅和剝離的效率。該電池顯示出高效率，能量密度和穩(wěn)定性，在80次充放電循環(huán)后仍保持其存儲(chǔ)容量的62.8％。研究人員說，無陽極電池設(shè)計(jì)為在儲(chǔ)能系統(tǒng)中使用水性鋅基電池開辟了新的方向。

鋰離子電池于1991年首次商業(yè)化，其應(yīng)用范圍從電子產(chǎn)品到車輛。隨著公用事業(yè)轉(zhuǎn)向可再生能源發(fā)電，當(dāng)太陽能或風(fēng)能中斷時(shí)，它們是自然的選擇。

同時(shí)，直到大約兩年前，充電率較低的鋅基電池仍限于微型助聽器。那時(shí)工程師們首次發(fā)現(xiàn)如何使它們?cè)谏虡I(yè)規(guī)模上可充電。自那時(shí)以來，包括Zinc8，NantEnergyInc.和e-ZnInc.在內(nèi)的公司一直將目標(biāo)鎖定為公用事業(yè)用途，他們可以在一整天內(nèi)累積能源，并在晚上利用能源。

國(guó)際鋅協(xié)會(huì)執(zhí)行理事安德魯·格林（AndrewGreen）表示：“毫無疑問，鋰和鉛酸電池目前在能源存儲(chǔ)市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位?！?/p>

1月份，Zinc8與紐約州電力管理局簽訂了一份為期三年的合同，以開發(fā)一個(gè)示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目可以為市政大樓或大學(xué)校園內(nèi)的大樓提供備用電源8小時(shí)，每臺(tái)的成本約為250美元。千瓦時(shí)。

Zinc8電池在左側(cè)的區(qū)域收集來自電網(wǎng)或可再生能源的能量，在中央?yún)^(qū)域存儲(chǔ)通電的鋅顆粒，并在右側(cè)添加氧氣以根據(jù)需要產(chǎn)生備用電源。

麥克唐納在接受采訪時(shí)說，這家總部位于溫哥華的公司正在為該項(xiàng)目尋找合適大小的地點(diǎn)，很可能在紐約西部。他說，一旦完成，該系統(tǒng)可能會(huì)在2022年啟動(dòng)并運(yùn)行。

電力部門設(shè)定了一個(gè)目標(biāo)，即到2030年在全州實(shí)現(xiàn)3吉瓦的儲(chǔ)能，以支持庫莫的“綠色新政”。根據(jù)MacDonald的說法，公司的目標(biāo)是：“在可以有效添加電池的不同場(chǎng)景中進(jìn)行測(cè)試，以用于不同類型的電網(wǎng)?！?/p>

他說，紐約項(xiàng)目為Zinc8將其技術(shù)應(yīng)用于更廣泛的公用事業(yè)市場(chǎng)打開了大門。

鋅電池背后的想法并不新鮮。它們長(zhǎng)期以來一直用于助聽器，因?yàn)樗鼈兗容p巧又安全。但是有些市場(chǎng)仍然無法突破：例如，鋅基電池仍無法快速補(bǔ)充至足以用于電動(dòng)汽車市場(chǎng)。

像其他電池一樣，鋅-空氣系統(tǒng)通過化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。但是，它們不是將所有反應(yīng)物都放在電池內(nèi)，而是通過微小的孔從外部吸入氧氣。然后，氧氣與多孔鋅內(nèi)部的分子發(fā)生反應(yīng)，生成自由電子，自由電子通過電路傳播到外部接觸點(diǎn)。

與鋰離子系統(tǒng)相比，使用外部氧氣使電池更不易燃。NantEnergy技術(shù)副總裁法比奧·阿爾巴諾（FabioAlbano）表示，使用鋰電池時(shí)，氧氣被鎖在電池內(nèi)部，因此即使您用濕毯覆蓋，火也能繼續(xù)燃燒。

同時(shí)，不涉及有毒元素。鋰如果處理不當(dāng)，會(huì)腐蝕眼睛，皮膚和呼吸道。鋅相對(duì)便宜：根據(jù)BenchmarkMineralIntelligence的數(shù)據(jù)，上個(gè)月鋰的交易價(jià)格約為每噸8,500美元。倫敦金屬交易所（LME）三個(gè)月期鋅基準(zhǔn)周五下跌1.3％，收于每噸1,984美元。

據(jù)彭博社（BloombergNEF）儲(chǔ)能分析師詹姆斯·弗里斯（JamesFrith）稱，固定儲(chǔ)能市場(chǎng)正在發(fā)揮作用，預(yù)計(jì)從現(xiàn)在的23年，未來十年將在全球增長(zhǎng)到155吉瓦時(shí)。Frith還認(rèn)為，包括電池，安裝和設(shè)備成本在內(nèi)的市場(chǎng)價(jià)值將在十年內(nèi)達(dá)到300億美元。

總部位于亞利桑那州的NantEnergy已經(jīng)在馬達(dá)加斯加擁有了一個(gè)可運(yùn)行的太陽能存儲(chǔ)微電網(wǎng)，其中一半以上的資金來自美國(guó)貿(mào)易發(fā)展署的80萬美元贈(zèng)款。它還與印度尼西亞成立了合資企業(yè)，為偏遠(yuǎn)村莊的微電網(wǎng)提供能量存儲(chǔ)。

阿爾巴諾在電話中說，由于微電網(wǎng)位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，為通訊和基本服務(wù)提供了動(dòng)力，因此缺乏可燃性尤其吸引人。

同時(shí)，總部位于多倫多的e-Zn最近從加拿大政府那里獲得了430萬美元的贈(zèng)款，用于在加拿大開發(fā)項(xiàng)目。首先是為多倫多以外的制造工廠提供電力，其持續(xù)能力為48小時(shí)。

電子鋅首席執(zhí)行官詹姆斯·拉森（JamesLarsen）認(rèn)為，鋅比鋰基電池更具優(yōu)勢(shì)。

拉森在電話中說：“對(duì)我來說有吸引力的是，它是一種真正的全球資源，幾乎可以在任何地方找到它。我們從歐佩克那里汲取了教訓(xùn)，一些國(guó)家控制著非常重要的資源。我們正在采用鋰離子電池?！?/p>

根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，2019年全球鋅產(chǎn)量達(dá)到1300萬噸，儲(chǔ)量約為2.5億噸。相比之下，生產(chǎn)了約77,000噸鋰。鋰儲(chǔ)量估計(jì)約為1700萬噸。

彭博社（BloombergNEF）的弗里斯（Frith）說，盡管鋅基電池有許多障礙需要克服，但公用事業(yè)需要通過試點(diǎn)項(xiàng)目來使其更加熟悉，這樣才能使他們有信心建立更多的項(xiàng)目。