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存储未来能源的瑞士解决之道

下一代电池:瑞士科研人员参与开发充电技术

2020年11月,一名工程师走过英国考文垂新落成的电池工业化中心。欧洲各国都在扩大新电池技术的生产与开发。 Jason Alden / Bloomberg

电池无处不在,我们的手机、笔记本电脑和汽车里都安装着电池,但低成本、高性能的理想型未来技术至今仍未被科学家发现。而欧洲和瑞士的多个重要研究计划正尝试满足对电池创新和电能储存的需求,预计在未来十年内会取得结果。

此内容发布于 2021年09月24日 - 09:00

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设于日内瓦的世界经济论坛(WEF)最近在一份重要报告中表示:“电池可使运输和电力部门达成所需碳减排的30%,为目前无电可用的6亿人提供电力,并在全世界创造1000万个安全和可持续的就业机会。”

目前亚洲主导着主流电池市场,90%以上的生产都在中国、韩国和日本进行。但欧洲希望迅速赶上。在汽车工业的推动下,欧盟希望在欧洲大陆建立电池生产,防止对世界其他地区的技术依赖。

International Energy Agency (IEA)

“现在我们尚为快速追随者,但欧盟的想法使我们在电池研究和创新方面有一个良好的基础,”瑞士联邦材料科技实验室(Empa)专家Corsin Battaglia解释说。瑞士虽不是欧盟成员国,但密切参与了欧洲的电池研究项目。

四年前,欧盟启动欧洲电池联盟以构建生产和研发能力。据交通与环境非政府组织称,作为这方面发展的一部分,欧洲各地计划建立近40个巨型电池厂,即所谓的超级工厂。如果这些工厂全部投入运营,那么欧洲大陆到2025年将赢得全球电池市场20%的份额,每年价值达2500亿欧元(约合人民币1.9万亿元)。

瑞典北部巨大的Northvolt Ett锂离子电池厂占地面积将达到50万平方米,相当于70个足球场。 William Steel (Northvolt)

目前尚未计划在瑞士建造超级工厂,但借助国内的研究机构和专业企业,这个阿尔卑斯山国正与电池工业发展紧密相连。

“无论是材料、电池与组件集成、电子、电池管理系统、回收,还是移动或固定存储,瑞士都有众多企业活跃在电池领域,甚至是世界领先者,”Battaglia透露。

自我修复电池

多年来锂离子电池一直是主导存储技术,预计未来十年的需求将增加十倍。这种电池的价格在过去30年里几乎下降了100%,但其科技基本没有变化。为了满足未来的需求,将需要替代性的电池技术,例如储存更多电能的持久性组件。

这就是总值4000万欧元的欧洲电池2030+研究计划的意义所在。去年启动的这个计划包括七个大型研究项目,得到瑞士在内的九个欧洲国家的支持。其中一个项目为“HIDDEN”,旨在将锂离子电池的平均寿命和电荷密度提高50%。

伯尔尼应用科技大学(Bern University of Applied Sciences)的一位HIDDEN项目经理Axel Fuerst解释说,电池内微小纤维状结构-即所谓枝晶-的形成,是影响锂金属电池寿命的大问题。

“锂金属具有很大的电荷密度,因而能被用来制作更轻巧更高效的蓄电池。但枝晶生长非常快,此类电池的寿命也就比较短,”他介绍道。

为解决这个问题,该团队正在研究电池内部的自我修复过程。他们希望专门开发的热敏性离子液晶电解质,加上添加剂和产生电场的压电分离器,可以一起分解和抑制枝晶的形成。该团队正在建立第一个概念模型,到2023年之前将得到验证,随后再扩大规模。

少用稀有金属

与此同时,Battaglia和他的Empa团队还在协调“SENSE”,一个欧洲锂离子电池研究项目。这个项目有意生产所谓的“第3b代”锂离子电池,采用硅-石墨复合阳极和富镍的镍锰钴(NMC)阴极,其目的是提高电荷密度,得以延长车辆的驾驶里程、促进快速充电,并减少稀有金属的使用。

Corsin Battaglia(右)和来自瑞士联邦材料科技实验室的研究员Marie-Claude Bay,该实验室密切参与了欧洲电池研究。 Empa

“我们希望减少钴的用量,并增加镍的用量,”这位Empa研究员表示。

钴是电池中最昂贵的材料之一。生产商正在努力减少钴的使用,因为钴的采购具有挑战性(多语)外部链接。世界上大约70%的钴来自刚果民主共和国,而那里的矿工条件很成问题,同时大多数钴的提炼作业则在中国进行。

Battaglia说,创造理想的电池很复杂,且往往要权衡利弊-镍增加了电池的电荷密度,也更便宜,但它使电池降解得更快。

这个团队还在致力于开发新的快速充电传感器,以使电池能更快更有效地充电。

Battaglia指出:“我们想了解电池内部的局部温度和电位,并(更快地)对电池内部进行测量,以便能够推动快速充电。”

2020年5月,瑞士西部伊韦尔东温泉(Yverdon-les-Bains)Leclanche工厂的一名工人在组装电池。Leclanche公司是基于锂离子电池技术高质量储能解决方案的一家世界领先供应商。 Keystone / Laurent Gillieron

固态电池

固态电池使用固体电解质来取代锂离子电池中的易燃液体溶液,在电池界,围绕固态电池有很多兴奋点。据说固态电池更高效、更安全,使用的原材料也更少。电池原型表明,它们可以比相同重量和体积的锂离子单元多储存80%的电能。

Battaglia提到,这类技术似乎提供了许多好处,但当前它们仍属于仅限实验室的“潜在”优势。他坦言,很难开发出一种同时具有高存储容量和长寿命的电池。

“要制造一个具有双倍电荷密度的电池不是问题,但也许我只能充20次电,然后电池就坏了,”这位研究人员解释。虽然可以通过以金属锂代替石墨使电池的电荷密度增加一倍,但对含锂量过高的电池快速充电会导致枝晶生成,从而缩短电池寿命。

如果固态锂电池成为主流,那么它们或可同时解决电荷密度与电池寿命的问题。Empa正在与十几个欧洲伙伴合作开展“SOLIDIFY”项目,这个项目旨在为所谓“第4b代”电池开发制造工艺,此类固态电池有望在十年后投入市场。

World Economic Forum, Global Battery Alliance; McKinsey analysis, IEA, 2018b; IPCC, 2018

高效固定储能

能够储存可再生能源的固定储能系统也将在未来几十年内大规模扩展。锂离子和锂镍锰钴氧化物(NMC)电池已经被用来储存住宅生产的太阳能和风能。科学家现在正在探索使用锌、钒或钠的替代产品,这些替代品被证明非常适合进行固定储能。但它们的规模尚需扩大,以满足不断增长的需求,同时具有成本竞争力。

瑞士绿色经济研讨会

9月2-3日于瑞士温特图尔(Winterthur)举行的本次会议(德)外部链接汇集了来自公共和私营部门的与会者,共同讨论实现联合国制定的可持续发展目标的挑战和解决方案。可再生能源和原材料的采购也是2021年活动的关键主题之一。

瑞士资讯swissinfo.ch作为媒体合作伙伴,在今年的研讨会上共同组织并主持了一个关于高效和可持续性交流的论坛,其中包括关于“解决方案新闻”的演讲。敬请关注,并在这里(英)外部链接查看更多信息。

借助欧洲SOLSTICE电池项目努力实现这一目标的12个合作伙伴当中,就包括Empa和瑞士企业FZSONICK与Quantis。他们的目标是开发可在高温下运行,用于储存电能的钠锌熔盐电池。

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Battaglia表示,随着可再生能源储能系统和电动汽车的数量成倍增加,未来几十年内电池将越来越重要,瑞士的企业-不仅仅是现有公司-都将寻求从中受益。

“经常有瑞士企业来和我接触,这些公司虽不从事电池领域,但凭借他们在制造或集成方面的专长,他们自认为可以进入这个市场。”

(译自英文:小雷)

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