石墨烯电池/燃料电池/空气电池等热门电池技术讲解

等都是由固体电极和液体电解质构成，而钠硫电池则与之相反，它是由熔融液态电极和固体电解质组成的，构成其负极的活性物质是熔融金属钠，正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐，由于硫是绝缘体，所以硫一般是填充在导电的多孔的炭或石墨毡里，固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子被称为Al2O3的陶瓷材料，外壳则一般用不锈钢等金属材料。

　　钠硫电池能量密度和转换效率高，是一种能够同时适用于功率型储能和能量型储能的蓄电池，自2003年起，日本和美国相继建设了多个兆瓦级的钠硫电池储能电站。不过钠硫电池的制造比较困难，对电池材料、电池结构要求高，因此制造成本较高。钠硫电池在使用时对运行条件的要求苛刻，必须维持在300～350℃，需要附加供热设备来维持温度。另外，电池运行的控制也比较困难，例如在线测量充放电状态不能做到很准确，必须周期性地进行离线度量；安全性相对也稍差。由于钠硫电池产品的制造比较困难，目前只有少量的钠硫电池产品已经商业化。前几年，上海市电力公司与中科院上海硅酸盐研究所联合开发出大容量钠硫电池，其关键技术和关键工艺已取得重大突破，但是关键装备和工业化生产仍存在巨大差距，国内钠硫电池储能技术和应用在短期内还很难取得突破。

　　钠硫电池具有许多特色之处：一个是比能量（即电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量）高，其理论比能量为760Wh/Kg。另一个是可大电流、高功率放电。其放电电流密度一般可达200-300mA/cm2，并瞬时间可放出其3倍的固有能量；再一个是充放电效率高。由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率几乎100%。当然，事物总是一分为二的，钠硫电池也有不足之处，其工作温度在300-350℃，所以，电池工作时需要一定的加热保温。但采用高性能的真空绝热保温技术，可有效地解决这一问题。

　　| 空气电池

　　锂空气电池是一种用锂作阳极，以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。

　　放电过程：阳极的锂释放电子后成为锂阳离子（Li+），Li+穿过电解质材料，在阴极与氧气、以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂（Li2O）或者过氧化锂（Li2O2），并留在阴极。锂空气电池的开路电压为2.91 V。

　　新型锂空气电池在空气中以0.1A/g的放电率进行放电时，放电能约为9000mAh/g。以前的锂空气电池的放电能仅为700～3000mAh/g，可以说实现了能的大幅增加。另外，充电能也达到约9600mAh/g。如果使用水溶液取代水溶性凝胶，便可在空气中连续放电20天，其放电能约为50000mAh/g，比原来约高10倍。由于锂空气电池的能量原本就比锂离子电池约高10倍，因此使用新技术后共比锂离子电池约高100倍。

　　虽然锂空气电池有明显优点，但缺点也很突出，距离大规模商业化还有一定距离。电池的反应产物过氧化锂及反应中间的产物超氧化锂都有较高的反应活性，会分解电解液，因此几个充放电循环后电池电量就会急剧下降，电池寿命较短；由于过氧化锂导电性能差，充电时很难分解，需要很高的充电电压，这还会导致分解电解液及碳电极等副作用。放电时，过氧化锂会堵塞多孔碳电极，导致放电提前结束；充电时，锂金属负极表面会呈树枝状向正极生长，最终可能导致短路，存在安全隐患；锂金属与空气中的水蒸气、氮气、二氧化碳都会发生反应，导致负极材料消耗，最终使电池失效。

　　| 飞轮电池

　　飞轮电池是20世纪90年代提出的新概念电池，它突破了化学电池 的局限，用物理方法实现储能。

　　飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池"充电"增加了飞轮的转速从而增大其功能；放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能（动能）到电能的转换。当飞轮电池发出电的时，飞轮转速逐渐下降，转速极高（高达200000r/min，使用的轴承为非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能量可达150W ·h/kg，比功率达5000-10000W/kg，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万公里。美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮电池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车，一次充电可行驶 600km，由静止到96km/h加速时间为6.5秒。

"飞轮"这一储能元件，已被人们利用了数千年，主要是利用它的惯性来均衡转速和闯过"死点"，由于它们的工作周期都很短，每旋转一周时间不足一秒钟，在这样短的时间内，飞轮的能耗是可以忽略的。现在想利用飞轮来均衡周期长达12~24小时的能量，飞轮本身的能耗就变得非常