- 石墨烯電池/燃料電池/空氣電池等熱門電池技術講解

　　| 鈉硫電池

　　鈉硫電池，是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質隔膜的二次電池。在一定的工作度下，鈉離子透過電解質隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應，形成能量的釋放和儲存。

　　一般常規(guī)二次電池如鉛酸電池、鎘鎳電池等都是由固體電極和液體電解質構成，而鈉硫電池則與之相反，它是由熔融液態(tài)電極和固體電解質組成的，構成其負極的活性物質是熔融金屬鈉，正極的活性物質是硫和多硫化鈉熔鹽，由于硫是絕緣體，所以硫一般是填充在導電的多孔的炭或石墨氈里，固體電解質兼隔膜的是一種專門傳導鈉離子被稱為Al2O3的陶瓷材料，外殼則一般用不銹鋼等金屬材料。

　　鈉硫電池能量密度和轉換效率高，是一種能夠同時適用于功率型儲能和能量型儲能的蓄電池，自2003年起，日本和美國相繼建設了多個兆瓦級的鈉硫電池儲能電站。不過鈉硫電池的制造比較困難，對電池材料、電池結構要求高，因此制造成本較高。鈉硫電池在使用時對運行條件的要求苛刻，必須維持在300～350℃，需要附加供熱設備來維持溫度。另外，電池運行的控制也比較困難，例如在線測量充放電狀態(tài)不能做到很準確，必須周期性地進行離線度量；安全性相對也稍差。由于鈉硫電池產(chǎn)品的制造比較困難，目前只有少量的鈉硫電池產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化。前幾年，上海市電力公司與中科院上海硅酸鹽研究所聯(lián)合開發(fā)出大容量鈉硫電池，其關鍵技術和關鍵工藝已取得重大突破，但是關鍵裝備和工業(yè)化生產(chǎn)仍存在巨大差距，國內鈉硫電池儲能技術和應用在短期內還很難取得突破。

　　鈉硫電池具有許多特色之處：一個是比能量（即電池單位質量或單位體積所具有的有效電能量）高，其理論比能量為760Wh/Kg。另一個是可大電流、高功率放電。其放電電流密度一般可達200-300mA/cm2，并瞬時間可放出其3倍的固有能量；再一個是充放電效率高。由于采用固體電解質，所以沒有通常采用液體電解質二次電池的那種自放電及副反應，充放電電流效率幾乎100%。當然，事物總是一分為二的，鈉硫電池也有不足之處，其工作溫度在300-350℃，所以，電池工作時需要一定的加熱保溫。但采用高性能的真空絕熱保溫技術，可有效地解決這一問題。

　　| 空氣電池

　　鋰空氣電池是一種用鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極反應物的電池。

　　放電過程：陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子（Li+），Li+穿過電解質材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結合生成氧化鋰（Li2O）或者過氧化鋰（Li2O2），并留在陰極。鋰空氣電池的開路電壓為2.91 V。

　　新型鋰空氣電池在空氣中以0.1A/g的放電率進行放電時，放電能約為9000mAh/g。以前的鋰空氣電池的放電能僅為700～3000mAh/g，可以說實現(xiàn)了能的大幅增加。另外，充電能也達到約9600mAh/g。如果使用水溶液取代水溶性凝膠，便可在空氣中連續(xù)放電20天，其放電能約為50000mAh/g，比原來約高10倍。由于鋰空氣電池的能量原本就比鋰離子電池約高10倍，因此使用新技術后共比鋰離子電池約高100倍。

　　雖然鋰空氣電池有明顯優(yōu)點，但缺點也很突出，距離大規(guī)模商業(yè)化還有一定距離。電池的反應產(chǎn)物過氧化鋰及反應中間的產(chǎn)物超氧化鋰都有較高的反應活性，會分解電解液，因此幾個充放電循環(huán)后電池電量就會急劇下降，電池壽命較短；由于過氧化鋰導電性能差，充電時很難分解，需要很高的充電電壓，這還會導致分解電解液及碳電極等副作用。放電時，過氧化鋰會堵塞多孔碳電極，導致放電提前結束；充電時，鋰金屬負極表面會呈樹枝狀向正極生長，最終可能導致短路，存在安全隱患；鋰金屬與空氣中的水蒸氣、氮氣、二氧化碳都會發(fā)生反應，導致負極材料消耗，最終使電池失效。