諾獎技術首次應用 新型有機電池優於金屬電池

【2022年10月14日訊】(大紀元專題部記者李蓓編譯報導)美國麻省理工學院一項有機聚合物(非金屬)電池的首次實際應用,為替代鋰離子等金屬電池提供了一個新的選項。這是一種更安全、更適用、更便宜和更持久的電池,以儲存和調節風能和太陽能等間歇性新能源,保持電網的彈性和穩定性,也有望促進新能源的發展和利用。

目前風能和太陽能等新能源行業的發展,即能夠在電網中占比多少,很大程度上取決於儲能技術對新能源併網時,造成的電網波動能夠調節和平復多少。目前以鋰電池為主的電化學儲能技術本身的不足及較高的成本,跟不上新能源持續發展的要求。

這項在2000年獲諾貝爾化學獎(導電聚合物)的革命性技術的應用,據稱可克服目前鋰電池等金屬電池的主要問題或不足,比如不容易過熱燃燒、不受寒冷天氣影響,且95%可回收,能夠解決目前金屬電池很難回收,進而造成更嚴重污染的問題。

尤其重要的是,新電池因為使用容易獲得的有機原料來代替昂貴金屬,造價便宜,而且無需鋰電池等溫度敏感電池所需的溫度調節裝置,這也大大降低了儲能成本;另外這種塑膠電池具有比鋰電池更快的充放電效率,更符合電網對間歇性衝擊能夠迅速調節的要求。

有機電池從實驗室到首個規模應用

由麻省理工學院的科學家們創立的公司PolyJoule,其使用導電聚合物製造的工業規模有機電池,最近在乳製品生產行業得以實際應用。

其首個合作夥伴,是新西蘭的全球最大乳製品原料供應商恆天然(Fonterra)。這個覆蓋新西蘭乳業95%的超級合作社,使用全國電網多達2.5%的電力。

在恆天然一個24小時運行的乳品加工廠,PolyJoule的電池已經經過了10個月測試,主要用於確保提供不間斷電力和能源套利應用,即在最便宜的非高峰時段存儲電力,然後在價格最高的高峰時段釋放使用電力。

根據最近雙方達成的商業協議,這套儲能裝置將從明年開始全面投入使用,屆時將可為恆天然的全電動運輸卡車充電,並根據電價(能源套利)和天氣(利用間歇性風能和太陽能)彈性運作,向100%使用可再生能源(併網發電)營運農場/加工廠的目標邁進。

這套全球首個工業規模有機電池裝置,大小約為一個大冰箱,會把加工廠的儲電從10千瓦/時升級到125千瓦/時。

幾乎各方面都優於金屬電池

PolyJoule電池採用標準的兩電極電化學構造,其中包括導電聚合物、碳—石墨烯混合物和不易燃的液體電解質。這種有機聚合物,通過交替的碳—碳單鍵和碳—碳雙鍵形成導電主鏈,能讓電子沿碳鏈傳導。

根據PolyJoule行政總裁埃利‧帕斯特(Eli Paster)的說法,這種有機電池系統的成本,僅為鋰離子系統的三十分之一。除了其材料成本更便宜,還不需要昂貴的溫度管理和滅火系統。

在存儲成本方面,該電池系統為每千瓦/時65美元;相比之下,鋰離子電池系統的總成本在每千瓦/時143~248美元之間。

這種電池也容易生產,目前該公司已經使用簡單的卷對卷工藝生產了一萬八千多個電池。

新電池沒有易燃的電解質,不易過熱,不會自燃,所以非常安全,可以隨處使用;這種塑膠電池的工作範圍在-45℃至50℃之間,因此也不會像鋰電池那樣在寒冷天氣下無法正常工作;而且新電池不含金屬、無毒,中性pH值,可回收率高達95%,不污染環境。

這種有機電池的功率密度是鋰離子電池的10倍。放電時,它能夠在10秒內釋放約1MW電量,而普通鋰離子電池則需要60秒時間。充電時,它可以在5分鐘內完成,一些鋰離子電池則需要2個小時。

新電池的這種快速充電和放電特性,非常適合用於電網調節/平衡,因為電網必須能夠對需求變化立即響應。

在使用壽命方面,塑膠電池在其生命周期內可能進行約12,000次充電循環,使用壽命預期為20至30年,而普通鋰離子電池僅可執行約5,000次充電循環。

與金屬電池相比,這種塑膠電池的唯一一個弱點,就是能量密度低,體積大。同樣的功率電力,其體積約為鋰電池的六倍,所以目前還無法用於電動車或手機。

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