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简论储能技术(上)

作者:纪秀磊 来源:储能科学与技术 发布时间:2021-11-03 浏览:
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摘要:全球气候剧烈变化,加速变暖,导致极端天气灾害频频出现。化石燃料的使用难辞其咎。与此同时太阳能,风能装备的发电成本已经可以匹敌煤电了。遗憾的是,这些可再生能源在全球电力中的占有的份额依然很低。问题出在哪里?新能源有哪些,它们的特点和问题是什么。储能的出路是抽水蓄能,是压缩空气储能,还是蓄电池?可以用大规模普及电动车来作为储能的备选方案吗?锂电池能不能作为蓄电池的主力?大规模储能电池的设计需要考虑哪些因素。水系电池的症结在哪里。电容器和超级电容器能否解决储能问题呢?这篇文章,笔者试图简要回答这些问题。

关键词:可再生能源;储能;电池;锂电池;水系电池

在漫长的旧石器,新石器时代和古代文明时期,人类的燃料一直是生物有机质。人类对能源的大规模使用是近代以来的事情,从大规模使用煤炭开始,到使用燃烧效率更高的石油衍生品和天然气,到开始利用核裂变反应发电和利用可再生的太阳能和风能。但是迄今为止代表着人类文明成就的工业化,从第一次工业革命直到现在正在进行的以大数据,人工智能,生物科技为标志的第四次工业革命都是建立在对化石能源的利用和依赖之上的。图1描绘了两百多年以来,各种主要能源使用的趋势图。人类对化石能源的依赖有增无减,唯一的变化是石油和天然气的比例越来越高。

化石能源的大规模使用带来世界经济体量的增加和财富的增长,同时也导致了全球气候的变暖。地球快速进入了一个人类文明并不熟悉的气候时代。地球平均气温的升高标志着大气的更高能量和更加剧烈的气候现象。我们看到的是更加频繁的洪水,台风,和山火。这些灾害已经扰乱了越来越多人们的生活,甚至是导致严重的生命财产损失。可以说,如果这个趋势不受任何干预的话,会威胁到整个人类文明秩序的安全。

图1 1800年后世界能源总消耗和不同种类一次能源使用比例的趋势图

能源问题的核心是在核聚变实现大规模商业化之前,人类社会如何可以摆脱对化石能源的依赖,转而使用清洁的可再生能源。几乎所有可再生能源,除了地热,都是直接或者间接来自太能能。可再生能源中最重要的两种:太阳能和风能一般不能直接在客户端被使用,需要先转化成电力才能使用。但是太阳能和风能并不是呼之即来的,而是有间歇性与难以准确预测的缺点。发电功率会时多时少。当发电超过了客户端需求的时候,可能会损坏输电线路,造成大规模停电;相反的,当发电太少的时候,又不够用,也会造成停电。这种发电输出的不稳定性和社会能源要求的稳定性形成了矛盾关系。这里插一句,潮汐能也是可再生能源,但它是可以预期的。所以太阳能和风能和大多其他商品一样都有需要储存的问题。而太阳能和风能本身无法直接储存,问题变成如何储存电能。这和化石能源不同,化石能源可以直接储存,并且几乎可以随时发电。

所以储能问题的核心是如何储存来自可再生能源的电能。但是电能本身是不容易直接储存的。所以储能问题就变为:如何将电能转化为其他便于储存的能量形式,而在需要时这些能量形式必须可以再转化为电能。转化需要是可逆的。可以看出,电能其实就是能源的硬通货。有了储存的电能,就可以用削峰填谷的方式让输出的电能完全来满足全社会的能源需求。

然而目前可再生能源的利用水平是低的。一个原因是电力在人类所使用的能源形式中所占的比例还很低。比如2018年全球的能源总消耗中,只有21%是以电力的形式。目前并不是所有能源的使用场景都可以依赖电能的。比如世界上大部分的车辆仍然是使用内燃机驱动的;几乎所有的航空运输都是使用燃油的。

我们再来看看电都是从哪里来的。2019世界电能来源占比:煤炭36.7%,天然气23.5%,核能10.4%,水力发电15.8%,不包括水力发电的可再生能源一共只有13.6%,包括:太阳能,风能,地热能,和生物质能源等等。但是从图2可以看出,令人欣慰的是,在全世界电能来源的构成中,比例上升最快的是风能和太阳能。这两种可再生能源在2000年的时候,可几乎还是无足轻重;而在2020年这两种可再生能源第一次接近了世界电力占比10%的大关。目前采集太阳能和风能的成本,已经有足够的竞争力了。而太阳能和风能可否继续扩张应用版图,瓶颈在哪里呢?在于储能设施装机容量能否配套发展。储能方案的发展和落实,已经刻不容缓。

目前在没有实现大规模储能的前提下,当可再生能源发电处于其一天中输出低谷的时候,就需要配备峰值负荷发电厂,将输出顶上去。峰值负荷发电厂的机组平时不用,只有在用户的用电量接近峰值的时候才被启动,比如在炎热夏季的傍晚,大家都用空调的时候。这就要求峰值负荷发电厂的机组从冷机启动到满负荷输电不能用太久的时间。目前天然气电厂是峰值负荷发电合适的选择,因为这种发电厂反应时间比煤电快得多。

世界电力中煤电的占比在2007年达到峰值,之后稳步下降。在2013年之后快速下降。与煤炭形成对比的是天然气,天然气的使用占比在最近25年中迅速攀升,这和页岩气的大规模开采有关。当前,在可再生能源无法满足能源的需求的前提下,目前的趋势是用更加清洁的天然气取代煤炭,但是煤炭在近期内可能依然是价格最低的一次能源。

图2  2019年全球不同种类一次能源发电比例

化石能源以外,其他的发电方式都可以算作是低碳电力了。这里包括核能。核能是单位质量燃料所产生能量最多的发电方式。和煤电厂相比,核电的启动时间来得更长。所以核电适合做电网中的压舱石。传统核电的主要问题是核废料。核废料中的放射性物质的半衰期,多是以万年来计算的。核废料的处理直到今天还是个悬而未决的难题。希望未来的核能可以是完全清洁的。人类文明的未来依然要依靠核能,尤其是可控核聚变。

1  新能源的机遇和挑战

太阳释放的巨大能量是来自它的核聚变,以人类文明的时间尺度来衡量,确实是取之不尽的。太阳所释放的能量只有两千万分之一可以达到地球的大气层,这其中只有一半可以到达地球的表面。而全部到达地球表面的太阳能是现在人类能源需要的一万倍以上。可见在核聚变大规模实施之前,人类能源需求的出路是太阳能。其他几种可再生能源,比如风能,水力发电,都是太阳能的衍生能源。将太阳能转化成电能,通常有两个方法。一种是实现光电转化的光伏电池。目前的单结多晶硅太阳能电池的转化效率是15% - 20%左右。另一种是用光学设备将太阳光聚焦在一起,用来加热合成油或者熔融盐,再通过这样高温的工作物质加热水,形成高温蒸汽发电。这是光热电转化。

国际能源署预计到2050年,世界的电能,将有27%由太阳能提供。但在2016年,这个数值只有1%。光伏发电价格的价格已经非常具有竞争力了。在电价方面,比较不同的发电设备要看平准化度电成本。也就是用所有投资和维护的成本除以这个设备在使用寿命中发出的所有电的度数,这样可以算出每一度电的成本。从2010年到2020年光伏发电的全球平准化度电成本从0.381美元降到了0.057美元,降幅达到85%。这样的一个价格,使得光伏发电可以和最便宜的化石能源发电竞争。但太阳能发电一个大问题是占地面积大。大规模的太阳能电厂适合建在荒芜人烟的荒漠地带。风能和太阳能相比,不需要太大的占地面积。风能可以安装在陆地和海上,当然海上风能设备的保养,维护费用会高些。通常在一点范围内,风电涡轮机的高度越高,能量越多。风能的价格也在下降,平准化度电成本从2010年的0.162美元降到了2020年的0.084美元。

上面提过,当太阳能和风能被委以重任但是无法满足社会用电需求的时候,需要峰值负荷发电厂。但是如果这些可再生能源发电超过需求时 ,也是比较麻烦的。首先大部分传统电网没有足够的储能或是调峰能力;加之太阳能,风电的资源通常远离负荷中心,本地的用电市场小;如果电网缺乏跨区输电能力,这样的情况就会导致弃光和弃风,就是已建成的发电机组不得不停止工作。这种情况的严重程度可以从图3中看出来。2019年世界可再生能源的装机容量分布中,太阳能和陆地风能加在一起时超过46%;但是太阳能和风能在实际发电量中的占比却只有接近29%。可以看出弃风和弃光的影响是巨大的,尤其是弃光。这个事实清楚的指出了储能的紧迫性。

图3  2019年可再生能源发电设备装机容量发布(上)和真实发电情况分布(下)

2   直接电储能方案:电容器静电储能

对于化石能源来说,储能的策略或许应该是尽量保护本国的资源,有保留的开采,预留出战略储备资源;同时在价格可以接受的情况下,利用国际市场满足本国的需要;并且在价格低的时候,在国家储备设施中大量储备进口原油,优质煤炭,和天然气。

而电能和化石能源不同,它没有体积,质量,不是三种物质形态中的一种,因此无法直接储藏。储存电能的方案可以分成直接储存和间接储存。直接的方式主要是静电存储,也就是电容器,电解电容器,超级电容器。间接储存的方式很多,涉及到各种能量转化过程。其中一种其实可以被认为是直接储存电能的方式,就是将电流在超导电感线圈中永续流动进行存储,将电能转化为磁场能来储存。其他的方式包括将电能转化为势能:抽水蓄能;转化为动能,比如飞轮储能,压缩空气储能 (气动能量);或者是热能,使用熔融盐或是通过材料的化学相变;再或者是化学能,比如电分解水,得到氢气,或是电催化,将二氧化碳转化成乙醇,再或是用电能为电池充电。化学能是否可以可逆的释放出来再变成电能,还是需要其他技术支持的,比如催化技术。电池中的化学能转化为电能通常是不需要催化的。电池不仅仅是一个储能装置,也是一个发电装置。

储能市场正在进入大爆发的时代。未来二十年,全球储能市场将快速成长,总的装机容量估计将增长几十倍。最大的市场将是中国 (图四)。下面我简要地介绍一些储能方案。

图4  全球储能装机功率趋势的推测

电容器的这部分,我会聊多一点的发展脉络。我在这里希望用电容器作为一个范例,来近距离观察一个创新是如何产生,发展,然后走向商业化的。

2.1 传统电容器

严格地说,目前只有电容器是将电能直接储存的。电容器是将流动的电流转化为静止的电能储存的。电容器也是一种常见的电子元件:通交流,阻直流。在本文中,我们只关注它作为一个储能设备的性质。有几个问题。首先,电容器是一个化学储能器件吗?什么是超级电容器。电容器和电池对比有什么优势和劣势?我将在这里讨论一下这些问题。

首先传统电容器的工作原理跟化学确实没什么关系。它是一个物理储能设备。它所储存的能量是以静电形式存在的。人们经常会遇到静电。在干燥的季节,我们在碰到电灯开关的时候,碰到车门把手的时候,经常会被电到。这里的静电是如何产生的呢?当两个表面在相互摩擦的时候,两个表面上原子中的电子,就可能被激发,从而脱离原子核的束缚,从一个表面跳到另一个表面上。就使得这个表面带上负电。而损失了电子的那个表面,也就带上了正电荷,其实是电子空穴。而两个表面摩擦,谁带正电,谁带负电,就是个化学问题了。

电容器在发明之初,就是用来储存摩擦产生的静电电荷。如果对静电有进一步的兴趣,可以了解一下范德格拉夫起电机,或者叫做范式起电机。它利用的基本原理是如果导体带电,其电荷只能存在于导体的表面。导体的内部是没有电场的。因为导体上的电子是可以自由移动的,而电子移动的最后结果只能是导体内部的电场为零,否则电子势必在电场的趋势下继续移动,直到电场被抵消的时候,电子才会停止运动。对于一个导体只有在电子或者它所带的正电荷(电子空穴)都分布在表面的时候,导体内部的电场才会是零。这里电子空穴的移动,也是由于电子的移动所造成的。

正是这个只有表面才能存放电荷的原理,严重地限制了电容器的能量密度。电池和电容器的根本差异就在这里。电池的电极材料中,每几个或是一个原子就能对应着储存一个电荷,这些电荷是分布在电极的三维结构中的各个角落,而并不只是表面。可以说,电容器是有点“炫富”,但是又不富有。

最早的电容器是在1745年前后发明的莱顿瓶。莱顿瓶的结构非常简单。比如可以这样制备:在一个烧杯的外面,包上一层铝箔,作为一个电极,在烧杯的内壁,再贴上铝箔作为另一个电极,用导线,把这两个电极引出来。给莱顿瓶充电时,用一块动物毛皮,摩擦一个PVC的塑料棒,塑料棒要不时的接触一个电极。充好电之后,在黑暗的地方,把两个导线接触一下,就能看到微弱的电火花了。这就是一个简易的电容器。

这里我们需要特别指出的是,莱顿瓶的另一个没有碰过塑料棒的电极,其实是不带电的。当两个电极的导线接触的时候,形成了回路,一部分电荷就从那个碰过塑料棒的电极,导到了另一个电极,使得它们都带上的相同性质的电荷,从而两个电极达到了相同的电位。

这种用静电充电的方法,和我们用电源给电容器充电的过程,是有所区别的。现在的电容器,一个电极是带正电,另一个是带负电。带正电的电极,电位高,是正极;带负电的,电位低,就是负极。其实电容器中的两个电极,就像莱顿瓶一样,可以用相同的材料,甚至可以是一模一样的。它们谁做正极或是负极都是可以的。

用电荷来储能,所存储的能量是电荷总量和驱使电荷奔跑的电压的乘积。如何来衡量一个电容器储能多少呢?要看它存的电荷多不多,电压高不高。当然电池,也是这么来看的。

理解电容器,有一个指标,那就是电容。用电容来衡量电容器所存储的能量,要用到一个很简单的公式,就是电容乘以电压的平方, CV2。而电容的大小取决于两个条件,一个是电极的单位质量和单位体积的表面积 A,越大越好,这容易理解,表面积越大,表面上所能带的电荷也就越多;另外一个是电容器两个电极之间的距离,d,越小越好。这样电容的大小就和A/d 这个比值成正比。

电容器的发展史其实就是一个增大电极材料比表面积和降低电容器电极层间离的过程。这个过程花了200多年,经过传统电容器,电解电容器,才达到目前所谓的超级电容器。

2.2 超级电容器的发明

传统电容器是用两个金属板作为两个电极,中间用介电质隔开。这里的金属板的表面积,可想而知,是很有限的。为了提高比表面积,就有了电解电容器。这里的电解是指为了增大电极的比表面积,在金属的表面用阳极氧化电解的方法,使其表面产生有高峰,低谷的结构,而这里金属被氧化的产物,通常是绝缘的氧化物,就可以直接用作介电质。用这样电极的电容器,叫做电解电容器。电解电容器是电路中常见的设备。和传统电容器相比,它可以储存更多的能量。

电容器的进一步发展就要说到超级电容器了。超级电容器最初的发展,是很曲折的。这里就要说到,电容器最早的专利是1957年编号2800616年的美国专利[]。其实这个专利的申请是在1954就提交的。这个专利是授权给通用电气的,发明人是两个工程师:Beck 和 Ferry,他们最早发现了,把两个活性碳的电极浸泡在电解质中,充电之后就能得到非常大的电容,但是电压却很低。在这个只有3页的专利文件中,介绍了电容器的组成。值得指出的是专利申请人的坦诚。他们清楚地陈述了自己对于这个器件工作原理的不理解。“It is not positively known exactly what takes place when the devices illustrated in Figs.1 and 3 are used as energy storage devices…”这个专利的题目就是:“Low Voltage Electrolytic Capacitor” 发明人认为这种电容器还是电解电容器。

来说一下这种电容器的工作原理。当一个表面带电的电子导体和一个离子导体—电解质接触,它们的界面上会发生什么呢?由于静电场的作用,电解质中的离子,会被吸引,并且靠近电子导体的表面,这就形成了所谓的双电层。这里所说的双电层,一层就是由电子导体表面的电子或者电子空穴构成,另外一层就是分布在电解质中的,被带电导体通过静电吸引而聚集在带电导体表面附近的离子所形成的一个带电区域,这个区域可以被简单地认为是一层离子。那么这就是两层的电荷:一层电子,一层离子,所以叫做双电层。在超级电容器中,每一个电极的表面都有一个双电层,不同的是负极表面的离子层是阳离子,而正极表面是一层阴离子。每个双电层都是一个物理学意义上的电容器。那么一个超级电容器就是由两个这样的双电层通过电解质串联在一起的。插一句,超级电容器也可以看作是一种特殊的双离子电池[]。

我们来看看双电层中电子层和离子层的距离。当一个离子被几个溶剂分子裹挟着靠近带电的电极表面的时候,这个离子和电极材料表面的距离,可以就是隔着一个溶剂分子的直径而已。那么一个溶剂分子有多大呢?像水分子,不到零点三纳米。当然,还有很多离子并没有那么靠近电极的表面。如果从统计学的角度来看,超级电容的表面和电解质中的离子层或者叫离子区域的平均距离,是几个到十个纳米之间。这个距离,受很多因素的制约,比如说溶剂分子的性质,活性炭孔道的大小,电极表面的亲疏水的性质等等。

活性炭这样的材料作为电极表面积A又非常大, 一克活性碳的表面积可以达到两千到三千平方米。可以看出超级电容器的A/d 这个比例是会远远高于传统电容器和电解电容器的。关于这个双电层,已经由Helmholtz在1853年就提出来了[]。而Gouy,Chapman,Stern[],分别在1910,1913,和1924年进一步发展了Helmholtz 模型。这样就逐渐形成了今天的双电层的理论基础。

有趣的是在这个理论成熟三十多年之后,超级电容器才被发明,而发明者却没有将发明和双电层原理联系在一起。也就是说,这是一个意外发现。但是科学研究如果每次都符合预期,那并非是科学真正的成功,因为这样的研究, 即使是填补了一项空白,也并不会拓展知识的边界。反而是遇见了现有的理论无法解释的现象的时候,才是值得庆祝的,这意味着我们触碰到了未知,有了拓展知识边界的机会。

在电解电容器中,一般也加电解质,但这主要是为了让两个被绝缘的氧化物层包覆的电极能够无缝对接在一起。但是Beck 和 Ferry打破了惯例,他们没有用金属做电极,也没有在电极上试图长上一层绝缘层,而是用了另外的一种导电材料,活性炭。就这样,实验中出现了Helmholtz,Gouy,Chapman,和Stern所研究的双电层。虽然Helmholtz,Gouy,Chapman, Stern的模型都是平面的导电电极和液体电解质的体系,并没有提及多孔碳的情况。

但是很可惜的是,在1957年这个技术并没有引起工业界的注意。

2.3  超级电容器的商业化

1962年美国俄亥俄标准石油公司的 Rightmire递交了超级电容器专利申请,其实这款电容器的结构和1957年Becker专利是一样的。但是专利最终在1966年11月被授予专利权,编号是3288641。我想专利局和审查工作人员,应该会知道1957年通用电气专利的存在。但问题是为什么仍然会授予标准石油专利权呢?抛开审查失误这个因素,俄亥俄标准石油1966年的专利和通用电气1957年的专利有什么不同?

最显著的差别是:1966年新专利是基于对于双电层原理的透彻理解之上的。新的专利指出了超级电容器和双电层原理上的内在联系。这一点很可能就是新的专利得到批准的重要原因。对于已经存在的理论新的理解,认知和应用,是专利申请成功的一个重要因素。

新专利还有一个优势,就是专利中的电容器的设计具有可复制性,可操作性。就是现代超级电容器的原型。在专利中可以看到细致的设计草图。而1957年的专利只是停留在概念上。在1966专利的基础上,至今在电容器领域其他专利已经涵盖了这个技术的各个方面和细节。

再次回到标准石油公司的电容器专利,可惜的是这家石油公司并没有产业化这个技术。后来由于他们在阿拉斯加建输油管道而深陷债务,就停止了很多研发项目,也包括电容器的项目。标准石油后来将这个技术转让给了日本电气株式会社(NEC)。NEC在1975年也就是专利有效期的第九年从标准石油那里买到了专利授权,迅速地进行研发,形成了产能。在三年后的1978年将这种新的电容器推向市场,为了赢得市场,把这个产品被叫做“超级电容器” (Supercapacitor)来进行推广。这里的超级并没有什么科学含义。这种电容器还有很多种其他的名字:比如, Ultracapacitor, electrical double layer capacitor。

美国专利在1994年之前是在授权之后又17年保护期。现在是提交申请之后20年内有保护期。1966年授权的专利,让NEC从1978年到1983年的五年之间,在市场上享有技术的垄断地位。而这种优势并不会随着专利期限的到达而嘎然而止,往往会再持续数年甚至十数年。在1978年后,超级电容器逐渐被市场认可。在很多领域都有用途,比如空客A380客机的紧急出口上,安装的就是超级电容器。早在2010年的时候,上海世博会的会务用巴士,就是电容器驱动的。这种巴士有个有趣的名字,叫Capabus。这是用来区别电池车的。

2.4 超级电容器和电池的比较

超级电容器和电池相比有什么优势呢?主要在于超级电容器的放电,充电可以很快完成。超级电容器所储藏的是静电,这些静电电荷是分布在电极材料表面两侧的电子(或是电子空穴)和离子,通常电子的电导比离子快,所以超级电容器的工作速度取决于溶剂化离子在电极材料的纳米孔道中的移动速率。通常来说,溶剂化离子的传输要比非溶剂化离子在固体结构中的传输来得快些。

超级电容器和电池相比的主要劣势,就是它的能量密度低。虽然已经远远高出传统电容器,或是电解电容器,但是仍然远远低于电池。锂离子电池的能量密度可以接近300瓦时每千克了, 而超级电容器只有不到10瓦时每千克, 也就是锂离子电池的3.3%。如果由锂离子电池驱动的车辆可以有300公里的续航里程,相同重量的超级电容器所驱动的车辆的续航里程就是10公里。这也是为什么超级电容器,如果作为唯一的动力,它所驱动的车辆最好是城市的公交车。另外电容器充电快,乘客上下车的时间,应该够电容器充电了。

如何能提高电容器能量密度呢?坦白讲,如果不改变电容器工作的根本原理,就是依赖表面的双电层的静电来储能,其实无论我们作出什么努力,超级电容器的能量密度都不会有质的飞跃。连追上铅酸电池,都会很吃力。为了提高电容器的能量密度,过去的几十年的研究见证了赝电容的发展。顾名思义,赝电容不是真正的电容。赝电容其实可以划入电池的范畴了,因为赝电容其实就是动力学非常快的电池,虽然在表征上很像电容。

赝电容器从电极的工作原理来看,和电池是一样的,都是通过电极上的氧化还原反应。赝电容和普通电池不同的是它的氧化还原反应的动力学特征基本上是不受离子扩散的限制。一个被广泛使用的公式是:。这里的是一个系数,是循环伏安测试中的电位扫描速度。这里的指数在反应动力学受到离子扩散限制时会是0.5,在反应动力学不受离子扩散限制时会是1。对于赝电容来说,这个值应该是接近1的。当一个反应的动力学不受离子扩散限制时,我们可以把这样的氧化还原反应称做赝电容。

赝电容领域的发展也经历了几个阶段。主要可以分为以下三种机理:1. 表面反应,2.插层反应,3.格罗特斯反应。早期典型得赝电容通过二氧化钌和它的水合物的快速充放电发现的[]。在二氧化锰[]等氧化物上也发现了类似的赝电容特征。这些材料通常具有无定形的结构和纳米级的形貌,具有很高的比表面积。所以这些材料的赝电容性质一直被认为是表面反应。有意思的是,这些材料在电化学表征中得到的曲线,比如循环伏安曲线,恒电流充放电曲线和超级电容器电极表征中得到的曲线非常相似。第二种机理是通过一系列氧化物材料的储锂性能研究中发现的,比如二氧化钛,三氧化钼,五氧化二铌。研究中发现如果插层反应的拓扑化学性能很好,电极材料的结构保持稳定不变,也会达成很好的赝电容性质。第三种机理,就是格罗特斯机理。

对于赝电容,笔者在2019年提出一个猜想:但嵌入离子和电极材料结构之间有供体-受体,带有共价键特点的化学作用的时候,这种相互作用和赝电容的形成就有相关性。这个猜想来自笔者的团队对于铵根离子和钾离子在五氧化二钒中储存的比较。我们发现铵根离子和无氧化二钒形成了带有供体-受体特点的共价键作用,而储钾离子则完全没有这样的现象。而有趣的是,同样是五氧化二钒电极,储铵根离子的动力学性质要远远比储钾离子来的快。

回到电容和电池的比较。超级电容器和电池也可以一起来用,作为混合动力。电容器负责车启动,加速,或者爬坡,需要输出高功率的时候,而较低的功率的长时间输出,就由电池来提供动力。这种电容,电池混合动力,已经有了大量的论证。结论是,当电池和电容器配合使用的时候,电池的寿命可以大幅延长。这是为什么呢?

开车的朋友知道在什么时候内燃机的燃油使用效率是最低的,就是电车启动,加速,或者爬坡的时候。这时内燃机的热效率就会降低。相似的情况在电池上也会出现。电池放电,靠的是自发的化学反应。每一种反应都有自身的动力学。在需要输出大功率的时候,有些反应就来不及完成。更严重的是,大功率意味着大电流通过电池,这会产生大量的焦耳热。这样会使得电池发烧,温度高了,电池中的化学物质,就更容易发生一些我们不愿意看到的副反应。这样会缩短电池的寿命。

如果说电池是个长跑运动员,那么电容器就是个短跑高手,有的是肌肉,但是耐力不好。所以强度大的活,就让电容器来做,这样可以让电池很从容地匀速地输出它的电力,最大化地延长电池的寿命。

电容器还有两个缺点:自放电和高成本。电容器的自放电要比电池快得多,尤其是使用水系电解质的电容器。如果电容器电极所使用的活性炭有杂质的话,自放电通常会更快。所以对于电容器用的活性炭,最主要的要求是要纯。高纯的活性炭,自然价格不便宜。我们知道用很多生物质的原料,都能烧出活性炭。但是这些生物质烧出的活性炭如果杂质太多的话,会严重影响电容器的性能。

(未完待续,敬请期待。)

本文作者为俄勒冈州立大学纪秀磊博士。

关键字:储能技术

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