Liquid battery replace lithium-ion battery
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來源： 鈦媒體
日前，美國哈佛大學的研究團隊，研發出了一種新型的液流電池。該團隊表示，這種液流電池不僅可用於智慧手機領域，還可被用於包括，可再生能源在內的新型能源應用領域。
在行動時代，電池技術成為重中之重，甚至可以說沒有電池就沒有行動時代。然而，續航能力薄弱等問題，存在於行動設備的電池中，電池技術的突破一直是尖端難題，從而限制了行動時代的進一步發展。所以研究人員一直在探索，更加有效的發電能源，以期提升續航能力。
實際上，液流電池並非新技術，早在上世紀60年代就已經出現。與鋰電池相比，液流電池確實有一些優勢。然而，這項技術一直處於研發階段，遲遲未能投入實際應用，其原因就在於自身的局限性。儘管遇到阻礙，但是探索仍要繼續，人類一邊使用相對穩妥的新型電池技術，一邊也在不斷尋找更加清潔的能源，來提升電池技術。
一、液流電池特性決定優勢，某些方面優於鋰電池
哈佛大學的團隊是由材料與能源科技教授Michael Aziz，及化學與材料科學教授Roy Gordon所領導的。他們所研究的新型液流電池，基於一種中性PH水溶液中的有機分子進行發電，其安全性與壽命皆優於目前的電池產品。
其實，液流電池領域並不算「荒地」，上世紀60年代，鐵—鉻體系的氧化還原電池就已經出現，可看作是全釩液流電池的前身。經過多年的研發，該技術已經取得了長足的進步，並有望投入商用。與鋰離子電池相比，這種液流電池確實存在優勢。
第一，其規模可大可小，設計靈活。
對於儲能系統來說，最重要的因素是電量和功率。通常情況下，釩液流電池可承受的功率，取決於電堆大小，而電量的多少則與儲能罐的大小成正比。
無論工程項目，對儲能系統提出怎樣的要求，設計者都可以靈活地做出相應的設計，並且能夠隨時進行調整。
無論工程項目，對儲能系統提出怎樣的要求，設計者都可以靈活地做出相應的設計，並且能夠隨時進行調整。
上圖為液流電池結構圖
反觀鋰離子電池，則是將儲能材料塗，在集流體表面形成電極，其技術及性能都是固定的，很難根據具體項目進行調整。兩相對比之下，液流電池的優勢顯而易見。
更重要的是，液流電池具有可擴展性。液流電池不管儲存量如何，結構和控制方法幾乎都一樣，只要將儲能電解液混合均勻，就可以保證SOC（充放電深度）一致。
如想製造同樣規模的鋰電池，則需要堆疊電池數量，同時運用極為複雜的BMS（電池管理系統），來管理每節電池的溫度及SOC。稍有不慎，過充、過放、過熱，都會導致電池報廢甚至引發危險，這也是為何智慧手機電池有時會發生爆炸的重要原因。
第二，液流電池壽命長。
目前市面上的鋰電池壽命約為1000~5000次。其主要儲能原理是，在固態電極上的嵌入和脫嵌，此種方式極易產生裂紋，從而使電池壽命終結。
液流電池的充放電機理則，是基於化合價的變化，而非普通電池的物理變化，故而使用壽命極長。而且全釩液流電池，由於正負極之間隔著離子交換膜，避免了正負電解液，因混合而發生交叉感染的可能，相較於其他液流電池壽命更長。
第三，液流電池安全性極高。
正如第一點中所提到的，液流電池的特性，使其安全性能得以保障。無起火或爆炸隱患，即使遭遇大電流也不會有什麼安全問題。
此外，液流電池能量效率高達75%~80%，啓動速度只需0.02s，且電池組件多為廉價的碳材料，無需貴金屬作催化劑。
目前，全球範圍內生產全釩液流電池的企業，主要包括美國UniEnergy Technologies公司、奧地利Gildemeister公司、日本住友電工公司，以及中國大連融科儲能技術發展有限公司。
儘管液流電池有如此多的優勢，且有一定規模的生產和應用，但目前並未看到其大規模的投入商用，和進入消費級市場，原因在於液流電池自身存在的局限性頗多。
二、液流電池遲遲未能商用，自身局限性較多
作為儲能系統，液流電池在風電等大型儲能領域，尚處試驗階段，商用就更是難以企及。上文哈佛大學研究的新型液流電池，亦處於研發階段，可以先探究目前已有的液流電池中，主要的釩系電池存在怎樣的局限性。
從理論上來講，釩的化合物可以作為添加劑，放入現有的鋰電池中，這就類似於石墨烯的用途。
然而，釩電池正極液中五價釩離子，在溫度高於45度的情況下，會析出一種名為五氧化二釩的劇毒物質。該物質的沈澱會堵塞流道，包覆碳氈纖維，惡化電堆性能，最終致使電池報廢。更重要的是，五氧化二釩這種劇毒物質，可能會造成嚴重的後果。
此外，全釩液流電池需投入極高成本。比如一個5千瓦的液流電池，共計需投入40.6萬的主材料成本，還要額外投入次要材料及人力成本。
最後，液流電池能量密度極低，大概只有40Wh/kg，加之此類電池呈液態，因而佔地面積大。
基於以上局限性，液流電池很難大規模應用，更難實現商業化。
對液流電池的探索，代表了人類不斷尋找新能源的決心，只是目前這種技術還不夠成熟。相比之下，石墨烯電池技術比較穩妥，已在智慧設備中有所應用，而人類也在不斷尋找更加清潔的能源用於發電。
三、穩妥的電池技術得以商用，未來存在更多可能
在當今的新興電池技術中，石墨烯電池技術算是比較穩妥的。去年年底，華為在第57屆日本電池大會上，推出了首個應用了石墨烯技術的鋰離子電池。這種電池借助了新型的耐高溫技術，可將鋰離子電池的上限溫度提高10度，其使用壽命也達到了普通鋰離子電池的2倍。
相比於尚處研發中的新型液流電池，石墨烯似乎更靠譜一些。當然，石墨烯本身也存在著一些局限性，但畢竟已經在智慧設備中得以應用。
因此就目前的情況來看，石墨烯會在下一階段更多地，被應用於提升電池技術之中。在電池技術發展的道路上，一蹴而就是行不通的，而通過穩妥的、成熟的技術逐漸進行過渡，應該會取得更好的效果。
當然，這並不是說電池技術領域，可以為求穩妥而停滯不前。相反，為了使電池技術不再成為行動時代發展的阻力，應該更大膽地去利用，一切可能利用的能源，為電池技術的進步提供動力。現在已經有相關的研究，並且也取得了進展。
比如日前美國賓夕法尼亞大學的科研團隊，研製出了新的發電方法，利用化石燃料發電廠排放的二氧化碳，與空氣中的二氧化碳形成的濃度差發電。這種名為「流動單元」的裝置，產生的平均功率密度為0.82瓦/平方米，高於以前近似方法獲得值的200倍左右。該研究成果已發表在最新一期的《環境科學和技術》雜誌上。
無獨有偶，芬蘭科學家也在研究如何利用動能、熱能及太陽能為設備供電方面，取得了一些進展。研究人員研發了一種名為KBNNO的鐵電材料，將熱量及壓力轉化為電力。芬蘭University of Oulu（盧奧大學）的研究人員，則利用鈣鈦礦晶體結構，從多個能量源中提取能量，並希望能夠通過研究收集到更多的能量。
這種設備的製造過程並不複雜，一旦找到了最佳材料，在之後的幾年就有可能將這一技術投入商用。如果這種設想得以實現，我們可能不必再將行動設備，插入插座上充電，而是從自然能量中，獲得源源不斷的電力，實現真正的能源清潔。
通過以上成果可以作樂觀的預測，未來在電池領域，將會出現更多的新技術，它們可以提升電池的利用率、續航能力等要素。在電池技術，乃至任何一種技術的發展道路上，既需要穩妥成熟的前行，也需要大膽前衛的創新，二者結合才可能更好地，推動行動時代的進一步發展。
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