中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2.5金屬-空氣電池
金屬-空氣電池的工作原理是在放電時(shí)通過(guò)金屬的氧化反應(yīng)來(lái)提供電能（圖2.8）。金屬作為負(fù)極，并與空氣正極配對(duì)。正極本身不儲(chǔ)存任何電荷，但在放電過(guò)程中通過(guò)電化學(xué)還原過(guò)程從空氣中獲取氧氣，并在電解液中產(chǎn)生羥基離子。電子通過(guò)外部電路從金屬負(fù)極流向正極，并提供電力。在可充電的金屬-空氣電池中，這種金屬氧化反應(yīng)可以通過(guò)施加電壓和電流來(lái)存儲(chǔ)電能。盡管幾乎任何自發(fā)進(jìn)行氧化的金屬都可以作為金屬-空氣的基礎(chǔ)材料，但只有相對(duì)較少的金屬具有可充電電池所需的屬性。從歷史上看，金屬-空氣電池主要用作一次性的低功率小型消費(fèi)設(shè)備中的電池，最常見(jiàn)的例子是用于助聽(tīng)器的鋅空氣電池。盡管對(duì)可充電金屬-空氣電池的研究已經(jīng)進(jìn)行了幾十年，但商業(yè)化電池產(chǎn)品直到最近才以可充電鋅空氣電池的形式進(jìn)入市場(chǎng)。
圖2.8金屬-空氣電池的發(fā)展歷史（上部）和典型金屬-空氣電池工作原理示意圖（下部）
迄今為止，有兩大類金屬-空氣電池最受關(guān)注。它們的區(qū)別在于使用的電解質(zhì)類型，分別是水性電解質(zhì)（通常是堿性）或非水性電解質(zhì)（通?；诿鸦蛱妓嵬榛ビ袡C(jī)溶劑）。電解質(zhì)的選擇反映了其在電池工作電壓下對(duì)副反應(yīng)的穩(wěn)定性：鋅-空氣電池、鐵-空氣電池、鋁-空氣電池可以使用堿性水溶液，而鋰-空氣和鈉-空氣電池需要采用非水電解質(zhì)，因?yàn)榫哂懈叩碾姵仉妷海@對(duì)更高的能量和功率密度很有吸引力。這兩種類型的金屬-空氣電池在理論上都具有較高的比能量（其定義為氧化金屬時(shí)可以存儲(chǔ)的能量）。鋰-空氣電池和鋅-空氣電池的比能量分別約為鋰離子電池的50倍和5倍。然而，在實(shí)踐中獲得這些高比能量一直具有挑戰(zhàn)性。鋅空氣電池只達(dá)到其理論的能量密度的35%左右，而工作效率低下導(dǎo)致金屬不能完全氧化，會(huì)造成能量損失，并且能量密度被支撐材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)一步稀釋，這些材料和結(jié)構(gòu)增加了質(zhì)量和體積。水性金屬-空氣電池的潛在屬性還包括安全性和成本：它們比鋰離子電池更安全，主要是因?yàn)樗噪娊赓|(zhì)不易燃，而且它們是存儲(chǔ)能量成本最低的可充電電池之一。由于空氣電極的高電極化、金屬電極的鈍化或副反應(yīng)（例如負(fù)極處的氫析出），這些有益特性被較低的功率和往返效率所抵消。金屬-空氣電池的開(kāi)路電壓低于鋰離子電池——鋰空氣電池為2.9V，鋅空氣電池為1.65V，鋅空氣電池為1.28V。由于一個(gè)或兩個(gè)電極的退化，鐵-空氣電池循環(huán)壽命通常較短。而降低電池電壓意味著需要更多的電池串聯(lián)才能達(dá)到更高的系統(tǒng)電壓。與鋰離子電池相比。使用空氣電極會(huì)導(dǎo)致更復(fù)雜的電池或系統(tǒng)設(shè)計(jì)以提供氣體管理。
目前，使用堿性水電解質(zhì)的金屬-空氣電池對(duì)于固定式電儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用更具吸引力，這主要是由于其具有安全性和成本優(yōu)勢(shì)。非水性金屬-空氣電池的成本往往高于水性金屬-空氣電池的成本，主要是因?yàn)榻饘俸碗娊赓|(zhì)的成本較高。例如，鋰的單位質(zhì)量成本要比鋅或鐵要高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上：鋰的現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格2019年為每千克80美元到120美元；相比之下，自從2004年以來(lái)，鋅的商品價(jià)格一直在每千克2美元到3美元，而鐵的價(jià)格在每千克0.1美元到0.2美元。在比較了電池電壓、比容量和電解液成本之后，這三種金屬-空氣化學(xué)物質(zhì)的儲(chǔ)能成本分別約為40美元/kWh、6美元/kWh時(shí)和0.6美元/ kWh（圖2.2）。通過(guò)更低的成本，水性堿金屬-空氣電池有可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本低于10美元/kWh的儲(chǔ)能應(yīng)用。特別是對(duì)于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能應(yīng)用。
與鋰離子電池和氧化還原液流電池具有多種正極組合和負(fù)極活性材料相比，金屬-空氣電池采用少數(shù)金屬方面具有成本和其他屬性的組合，以促進(jìn)在電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能中的實(shí)際應(yīng)用。其中，鋅-空氣電池技術(shù)最為成熟，已經(jīng)發(fā)展為一次電池和二次電池。在上世紀(jì)70年代，人們對(duì)用于開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車應(yīng)用的鐵空氣電池產(chǎn)生了短暫的興趣。而這種電池技術(shù)現(xiàn)在正在重新引起開(kāi)發(fā)商 將其應(yīng)用在電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中的的興趣。鋁-空氣電池的化學(xué)成本也較低，但充電性能較差；出于這個(gè)原因，迄今為止，它們大多作為一次性電池使用。與鋰離子電池相比，鋅-空氣二次電池的商業(yè)用途是最近才出現(xiàn)的，并且由于前面提到的限制，其部署規(guī)模有限。調(diào)查報(bào)告記錄了為固定儲(chǔ)能應(yīng)用部署商業(yè)系統(tǒng)的多項(xiàng)努力，其中包括調(diào)查報(bào)告聲稱，已經(jīng)在3,000個(gè)小型系統(tǒng)中部署了數(shù)十兆瓦時(shí)的鋅-空氣電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。紐約電力局宣布與鋅-空氣電池建立商業(yè)合作伙伴關(guān)系，部署100kW/1MWh的鋅空氣電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，以作為到2030年在紐約州安裝3GW儲(chǔ)能系統(tǒng)的一部分，并預(yù)計(jì)鋅空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的制造成本低于100美元/kWh，這將在未來(lái)與鋰離子電池在市場(chǎng)上進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。而鐵空氣電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)成本預(yù)計(jì)低于20美元/ kWh。
本節(jié)的其余部分討論了影響金屬-空氣電池性能的組件的關(guān)鍵技術(shù)考慮因素，旨在了解技術(shù)障礙和成功開(kāi)發(fā)這些技術(shù)的潛在途徑。
2.5.1 金屬-空氣電池的電化學(xué)特性
所有金屬-空氣電池都是將金屬作為負(fù)極，在放電時(shí)會(huì)被氧化并在充電時(shí)還原為金屬單質(zhì)；以及將空氣作為正極，氧氣在放電時(shí)從氣相中吸收并在充電時(shí)作為氣體釋放。在某些設(shè)計(jì)中， 空氣正極的兩個(gè)功能在兩個(gè)不同的電極之間分開(kāi)，一個(gè)吸收氧氣，另一個(gè)釋放氧氣。金屬負(fù)極經(jīng)過(guò)可逆氧化形成金屬離子溶解在液體電解質(zhì)中，也可能在金屬負(fù)極表面形成不溶的固體金屬氧化物或金屬氫氧化物反應(yīng)的產(chǎn)物。除了金屬負(fù)極和空氣正極之外，金屬-空氣電池的主要組成部分包括隔板和液體電解質(zhì)。隔板可防止兩個(gè)電極直接接觸并提供其他功能，例如防止交叉 溶解物質(zhì)或形成可能導(dǎo)致內(nèi)部電氣短路的金屬枝晶。
負(fù)極和正極室的電解液通常是相同的，并且可以自由穿過(guò)隔板。水性金屬-空氣電池通常使用堿性電解質(zhì)，具有高離子電導(dǎo)率和兼容性。在鋅-空氣系統(tǒng)中，堿性電解質(zhì)也是因其對(duì)鋅反應(yīng)產(chǎn)物的高溶解度而受到青睞，可以防止鈍化，否則會(huì)抑制金屬鋅繼續(xù)反應(yīng)。最常用的水性電解質(zhì)基于摩爾濃度或更高的氫氧化鉀(KOH)溶液，以及各種性能增強(qiáng)添加劑。
金屬-空氣電池架構(gòu)在電池設(shè)計(jì)中是獨(dú)一無(wú)二的，其中空氣正極必須暴露在環(huán)境大氣中，以便在放電時(shí)允許空氣或氧氣流入，并在充電時(shí)釋放氧氣。金屬負(fù)極通常是密封的，盡管有些設(shè)計(jì)采用循環(huán)電解質(zhì)來(lái)分散溶解的金屬離子或減少枝晶的形成。
（1）金屬負(fù)極發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
如果氧化產(chǎn)物在液體電解質(zhì)中具有一定的溶解度，則金屬負(fù)極通常在利用率（可逆氧化程度）和可再充電性方面受益。以鋅為例，在強(qiáng)堿性電解液中，鋅的氧化還原反應(yīng)形成鋅酸根離子，它是可溶的。這在最初是有益的，因?yàn)樗试S鋅的氧化繼續(xù)進(jìn)行。然而，一旦鋅酸鹽的濃度達(dá)到其在電解液中的溶解度極限，鋅酸鹽就會(huì)沉淀成為氧化鋅。這種副反應(yīng)降低了電池性能，因?yàn)檠趸\通常作為鈍化層沉淀在電極表面，這降低了鋅負(fù)極的利用率并增加了電阻。如果氧化鋅在電池的其他地方沉淀并且沒(méi)有重新溶解，則會(huì)發(fā)生不可逆的負(fù)極容量損失。氧化鋅沉淀也可能發(fā)生在正極表面，在那里它增加了抑制氧氧化還原反應(yīng)的不利因素。
為了鋅電極的有效充放電循環(huán)，必須管理的第二種有害反應(yīng)是枝晶的形成。在充電步驟中，鋅酸鹽離子被還原鋅金屬在電極表面，優(yōu)先發(fā)生電場(chǎng)最高的金屬電極。這種自我傳播過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致形成針狀金屬枝晶，這些枝晶可以刺穿隔膜生長(zhǎng)，并導(dǎo)致電池由于短路而失效，或者如果枝晶從負(fù)極斷裂并在隨后的放電過(guò)程中變得無(wú)法通電，則會(huì)導(dǎo)致容量損失。具有高機(jī)械強(qiáng)度的隔板可以減少枝晶的滲透，但這必須與同時(shí)需要高導(dǎo)電性和鋅酸鹽交叉抑制相平衡。在循環(huán)過(guò)程中也可能形成致密的鋅負(fù)極形態(tài)，這會(huì)通過(guò)降低電化學(xué)活性表面來(lái)降低合并妝容量和壽命。這些負(fù)極的挑戰(zhàn)不會(huì)出現(xiàn)在所有水性金屬-空氣系統(tǒng)中。值得注意的是，鐵-空氣對(duì)在堿性電解質(zhì)中沒(méi)有表現(xiàn)出形成枝晶的跡象——這種行為與氫氧化鐵的低溶解度有關(guān)，氫氧化鐵形成固體氫氧化物，而不是溶解和電鍍。
在水性金屬-空氣電池系統(tǒng)中，負(fù)極上另一個(gè)常見(jiàn)的有害副反應(yīng)是在充電過(guò)程中析出氫氣，這在熱力學(xué)上優(yōu)于鋅-空氣、鋁-空氣和鐵-空氣電池的金屬氫氧化物還原反應(yīng)。析氫會(huì)消耗了原本會(huì)用于金屬氫氧化物還原的電流，從而降低充電過(guò)程中的效率。金屬與水反應(yīng)形成金屬氫氧化物并釋放氫氣，這是導(dǎo)致電池自放電的另一個(gè)副反應(yīng)。這些影響導(dǎo)致金屬-空氣的充電狀態(tài)不平衡。從而降低了可用容量。副反應(yīng)也會(huì)消耗電解質(zhì)，降低電池的保質(zhì)期，除非添加補(bǔ)充水或釋放的氫氣與電池內(nèi)的氧氣催化結(jié)合以重新形成水。
通過(guò)改變電極材料或電池的結(jié)構(gòu)、改變金屬電極或電解質(zhì)的成分或開(kāi)發(fā)合適的隔膜，可以在一定程度上緩解上述失效機(jī)制。對(duì)電極結(jié)構(gòu)的最常見(jiàn)修改試圖通過(guò)增加電極的可接觸表面積來(lái)提高利用率和反應(yīng)速率，通常是使用替代材料（例如3D金屬海綿或粉末基電極）。這種類型的一些修改對(duì)負(fù)極成本幾乎沒(méi)有影響。然而，高表面積電極也具有更大的析氫和自放電反應(yīng)面積，更容易失去電接觸，并且機(jī)械強(qiáng)度較低。在電池級(jí)別，一種廣泛使用的架構(gòu)修改是使電解液流過(guò)負(fù)極室。其強(qiáng)制對(duì)流的設(shè)計(jì)可以將弱結(jié)合氧化物從金屬表面敲落，以減少鈍化層的阻力，斷開(kāi)枝晶，或減少鋅酸鹽濃度梯度，從而放大形態(tài)變化。然而，解決電池衰退和延長(zhǎng)周期壽命的方法增加了電池的成本和復(fù)雜性。
電極和電解液添加劑可以限制金屬離子的溶解，調(diào)節(jié)表面結(jié)構(gòu)以減少枝晶的形成，以及穩(wěn)定金屬電極以防止副反應(yīng)。將金屬電極與鉛、鎳或銦等其他金屬合金化可以抑制析氫。電極表面的涂層也可以起到同樣的作用，同時(shí)也可以抑制鋅酸鹽的溶解。電極中的固體添加劑和電解液中的溶解添加劑已被廣泛研究，作為緩解金屬負(fù)極各種缺陷的策略。
隔板可在抑制離子（如鋅酸鹽）的不良交叉方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。在兩個(gè)電極室之間，但它必須具有足夠的選擇性以允許離子的傳輸。改進(jìn)的離子選擇性可以減少與金屬交叉相關(guān)的容量損失和空氣電極上有害的金屬氧化物沉積。然而，這些改進(jìn)必須避免損害化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性、離子電導(dǎo)率和隔膜成本。而對(duì)于氧化物質(zhì)的高溶解度的金屬負(fù)極，隔膜設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)通常更大。
（2）空氣正極：現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
正極組件作為液體電解質(zhì)和氣相之間的電活性界面。它的設(shè)計(jì)必須在親水性和疏水性之間取得適當(dāng)?shù)钠胶猓峁╇娮訉?dǎo)電性，并允許氧氣擴(kuò)散到催化反應(yīng)位點(diǎn)。鋅空氣電池正極含有碳基氣體擴(kuò)散層(GDL)。然而，盡管燃料電池電極只需要吸收氧氣（氧還原反應(yīng)，ORR），但可充電空氣電極也必須釋放氧氣（析氧反應(yīng)，OER）。氧還原反應(yīng)(ORR)需要高孔隙率和一定的疏水性，以便在電解質(zhì)、氣相和電催化劑相遇的三相位點(diǎn)具有足夠的密度，并促進(jìn)氧氣向這些位點(diǎn)的傳輸。析氧反應(yīng)（OER）需要親水性，以便析出氧氣的液相可以潤(rùn)濕催化位點(diǎn)，并在該反應(yīng)的高氧化電位下保持穩(wěn)定性。氧還原反應(yīng)(ORR)和析氧反應(yīng)（OER）功能可以組合在一個(gè)“雙功能”空氣電極中，也可以在單獨(dú)的電極之間拆分。
金屬-空氣電池正極的開(kāi)發(fā)主要集中在高氧化電位下的材料穩(wěn)定性問(wèn)題（尤其是碳支架和替代品的穩(wěn)定性）和高效、低成本、雙功能電催化劑的開(kāi)發(fā)。在高工作電壓和高電流密度下，正極結(jié)構(gòu)退化會(huì)加速。當(dāng)堿性電解質(zhì)從空氣中吸收二氧化碳時(shí)形成的碳酸根和碳酸氫根離子會(huì)影響空氣正極的活性。為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)而設(shè)計(jì)的金屬-空氣電池通常對(duì)空氣正極的要求較低，因?yàn)殡娏髅芏雀?，并且在電池的整個(gè)生命周期內(nèi)經(jīng)歷的充放電循環(huán)總數(shù)少于短期應(yīng)用。
（3）其他的金屬-空氣電池
金屬-空氣電池的另外兩種變體可能具有部署電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛力。一種是“機(jī)械式可充電”電池，其中氧化的金屬負(fù)極或整個(gè)電池在電池放電后被更換。然后可以將使用過(guò)的負(fù)極材料回收回其金屬形式，再加工成為系統(tǒng)成本結(jié)構(gòu)的一部分。鋁-空氣電池是這種方法的候選者之一，因?yàn)樗鼈兙哂懈吣芰棵芏群偷统杀荆娍赡嫘圆?。第二種電池是吸氣式水硫液流電池，其氧化還原活性材料、硫和氧之間沒(méi)有直接反應(yīng)。相反，堿金屬離子穿過(guò)將空氣正極與包含溶解的多硫化物物質(zhì)的負(fù)極分開(kāi)的膜。空氣或硫電極中使用的電解質(zhì)中鈉離子濃度的變化導(dǎo)致氧氣的吸收或釋放，同時(shí)硫電荷狀態(tài)發(fā)生變化。這種變體電解質(zhì)的成本可低至1美元/kWh，并且在液流電池的配置中，它提供了獨(dú)立調(diào)整功率和能量，有利于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。吸氣式水性硫液流電池的主要缺點(diǎn)是對(duì)離子選擇性隔膜的挑戰(zhàn)性要求，該膜可以分別分離低pH值和高pH值的正極和負(fù)極電解質(zhì)。
2.5.2 商業(yè)化狀況
極低的材料成本、高能量密度、電池設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的潛力，以及固有的安全性，使水性金屬-空氣電池成為更有前途的電化學(xué)電池之一。
與鋰離子電池相比，當(dāng)前的金屬-空氣電池具有較低的往返能量效率、較高的電力成本和較低的循環(huán)壽命。這種特性組合使金屬-空氣電池非常適合部署在持續(xù)時(shí)間12小時(shí)以上的儲(chǔ)能應(yīng)用。此外，化學(xué)成本低的金屬負(fù)極（例如鋅、鐵和鋁）是為其他行業(yè)大量生產(chǎn)的金屬。這些特征表明，一旦得以開(kāi)發(fā)和利用，金屬-空氣電池可以快速擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，并且比鋰離子電池快得多。然而，可充電金屬-空氣電池的商業(yè)化仍處于早期階段，技術(shù)性能和成本降低的學(xué)習(xí)曲線尚未建立。
盡管如此，研究團(tuán)隊(duì)還是可以根據(jù)與特定設(shè)計(jì)相關(guān)的性能指標(biāo)和成本，制定自下向上的金屬-空氣電池儲(chǔ)能的成本預(yù)測(cè)。預(yù)計(jì)金屬-空氣電池的電力成本相對(duì)較高（590美元/kW～950美元/kW），相比之下，鋰離子電池為30美元/kW ～50美元/kW，液流電池為290美元/kW～530美元/kW，但預(yù)計(jì)儲(chǔ)能容量的成本極低（0.1～4.0美元/kWh），這表明該技術(shù)在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能應(yīng)用中具有潛在的重要作用。對(duì)于最新部署的金屬-空氣電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，預(yù)計(jì)總擁有成本（定義為在系統(tǒng)預(yù)期壽命內(nèi)安裝和維護(hù)系統(tǒng)的總成本）在持續(xù)時(shí)間超過(guò)12小時(shí)時(shí)低于100美元/kWh。
2.6 其他與固定儲(chǔ)能相關(guān)的電池
2.6.1 鉛酸電池
鉛酸電池是世界上最早發(fā)明的第一種可充電電池。盡管來(lái)自各種新技術(shù)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，但截至2018年，鉛酸電池仍占全球電池總銷售額的48%（高達(dá)375億美元）。車輛應(yīng)用約占當(dāng)前鉛酸部署的75%（按儲(chǔ)能容量）。該技術(shù)也用于固定儲(chǔ)能應(yīng)用，但主要用于用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，約占2017年全球部署的電化學(xué)儲(chǔ)能總?cè)萘康?.5%。在美國(guó)，只有1%的鉛酸電池用于部署電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（其中大部分是在2003年至2018年間部署的）。而在2018年，鉛酸電池占中國(guó)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)總裝機(jī)容量的27% 但這一份額在2019年降至14%，主要是由于鋰離子電池部署的強(qiáng)勁增長(zhǎng)。
鉛酸電池是一項(xiàng)高度成熟的電池技術(shù)，其優(yōu)缺點(diǎn)眾所周知。正極和負(fù)極都是鉛基的，硫酸電解液（pH<2）為電池反應(yīng)提供硫酸根離子。在放電狀態(tài)下，兩個(gè)電極都含有硫酸鉛(PbSO4)，而在充電狀態(tài)下，正極被氧化為氧化鉛（PbO2），負(fù)極被還原為金屬鉛(Pb)。鉛酸電池的比能量較低(30～40Wh/kg)，而鋰離子電池的比能量較高（150～200Wh/kg），但該指標(biāo)對(duì)固定式電池不太重要。其充放電往返率相當(dāng)高，為79%～86%。鉛酸電池成本低于鋰離子電池，并且制造更簡(jiǎn)單。一個(gè)持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)的鉛酸電池的安裝成本估計(jì)為260～290美元/kWh，非常接近鋰離子電池的安裝成本（275-290美元/kWh）。
鉛酸電池還擁有成熟的供應(yīng)鏈和更高的回收率（在美國(guó)和歐洲>99%）。由于它們使用水性電解質(zhì)，因此它們可以說(shuō)比鋰離子電池更安全。
在大多數(shù)地區(qū)，鉛酸電池目前被鋰離子電池所超越的主要原因是其循環(huán)壽命短。 在電池運(yùn)行期間的電極會(huì)導(dǎo)致材料不斷流失，再加上水電解、酸分層和電極上不透水的硫酸鹽堆積等副反應(yīng)，導(dǎo)致循環(huán)壽命縮短。經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，其中一些問(wèn)題已通過(guò)改進(jìn)電極配方、電池設(shè)計(jì)和制造方法得到解決。盡管如此，當(dāng)以80%的放電深度進(jìn)行充放電循環(huán)時(shí)，鉛酸電池的充放電循環(huán)壽命將會(huì)縮短，約為600～1,000次循環(huán)，而鋰離子電池循環(huán)到相同的放電深度則為1,000～3,000次循環(huán)。在電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中，鋰離子電池每個(gè)周期提供更高的能量成本。如上所述，鋰離子電池的循環(huán)壽命將會(huì)繼續(xù)增加。此外，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年兩者之間的安裝成本差距將縮小，這主要是因?yàn)殇囯x子電池成本繼續(xù)下降，而鉛酸電池的成本停滯不前。發(fā)展中國(guó)家可能會(huì)為這一趨勢(shì)提供一個(gè)例外——在這些情況下，鉛酸電池的成本可能比鋰離子電池低兩倍，預(yù)計(jì)鉛酸電池將在固定儲(chǔ)能行業(yè)繼續(xù)發(fā)揮主要作用，至少持續(xù)到2030年。
2.6.2 高溫電池
研究團(tuán)隊(duì)將高溫電池分類為至少一個(gè)電極使用熔融金屬的電池。在這里討論三種電池：鈉硫電池(Na-S)、鈉-氯化鎳電池(Na-NiCl2)和液態(tài)金屬電池。盡管鈉硫電池最初是福特汽車公司在上世紀(jì)60年代為電動(dòng)汽車應(yīng)用開(kāi)發(fā)的，但如今，對(duì)這三種高溫電池的興趣主要是由潛在的電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的。鈉硫電池使用熔融鈉作為負(fù)極，熔融硫作為正極，固體鈉離子作為導(dǎo)體，通常是β-氧化鋁作為固體電解質(zhì)。鈉硫電池電池通常在300℃到350℃之間的溫度下運(yùn)行，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，兩個(gè)電極都會(huì)熔化，并且固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率升高。典型的電池設(shè)計(jì)使用大量封閉式氧化鋁管來(lái)容納熔融鈉金屬，而熔融硫電極則包圍著這些氧化鋁管。
在鈉-氯化鎳電池 (Na-NiCl2)中，熔融硫電極采用固體NiCl2電極代替。鈉硫電池(Na-S)和鈉-氯化鎳電池 (Na-NiCl2在80%的放電深度下具有3,000～5,000次循環(huán)壽命，并且可以應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中。截至2020年初， 鈉硫電池技術(shù)的主要商業(yè)開(kāi)發(fā)商已在全球部署了約560MW/4GWh的鈉硫電池。相比之下，鈉-氯化鎳 (Na-NiCl2)電池的電網(wǎng)部署可以忽略不計(jì)。雖然這兩種電池技術(shù)在歷史上都很重要，但成本本仍是它們當(dāng)今面臨主要的競(jìng)爭(zhēng)挑戰(zhàn)：目前的安裝成本在600美元/kWh到700美元/kWh之間，并有進(jìn)一步下降的潛力，未來(lái)可能降到500美元/kWh。相比之下，目前鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝成本在275美元/kWh至290美元/kWh之間。
液態(tài)金屬電池是一種高溫電池，與鈉硫電池和鈉-氯化鎳電池的不同之處在于它還具有液體電解質(zhì)，選擇與金屬電極不混溶。此外其選擇的三相密度各不相同，從而導(dǎo)致與位于兩個(gè)金屬電極之間的液體電解質(zhì)層發(fā)生自偏析。正極、負(fù)極和電解質(zhì)被密封在金屬容器中以形成高溫電化學(xué)電池。雖然為該技術(shù)描述了許多金屬組合，但其示例主要包括鋰-銻-鉛(Li-Sb-Pb)、鎂-銻(Mg-Sb)、鈣-鉍(Ca-Bi)和鈣-銻(Ca-Sb)。而目前的開(kāi)發(fā)工作似乎集中在鈣-銻(Ca-Sb) 電偶上，工作溫度為500℃，此時(shí)鈣為液體，純銻為固體。按照目前的金屬價(jià)格，鈣-銻(Ca-Sb)的化學(xué)成本約為20美元/kWh， 其成本低于鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。這種新興技術(shù)似乎已接近示范階段，并聲稱其優(yōu)勢(shì)是與鋰離子電池相比，制造成本更低，循環(huán)壽命達(dá)到數(shù)萬(wàn)次，日歷壽命超過(guò)20年，以及在廣泛的環(huán)境溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行（假設(shè)保持較高的內(nèi)部電池溫度）。鈣-銻(Ca-Sb)電池的一個(gè)潛在風(fēng)險(xiǎn)是銻的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，銻是一種一直出現(xiàn)在關(guān)鍵元素清單上的金屬，其供應(yīng)限制比釩的限制更為嚴(yán)格。
（未經(jīng)允許，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)載，不足之處，歡迎批評(píng)指正，未完待續(xù)）
