中國儲(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)通過金屬的氧化反應(yīng)來提供電能（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，但在放電過程中通過電化學(xué)還原過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)可以通過施加電壓和電流來存儲(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，最常見的例子是用于助聽器的鋅空氣電池。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。
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?，這對(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。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，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，這將在未來與鋰離子電池在市場上進(jìn)行競爭。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，一個(gè)吸收氧氣，另一個(gè)釋放氧氣。金屬負(fù)極經(jīng)過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)生電場最高的金屬電極。這種自我傳播過程可能會(huì)導(dǎo)致形成針狀金屬枝晶，這些枝晶可以刺穿隔膜生長，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程中變得無法通電，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)過程中也可能形成致密的鋅負(fù)極形態(tài)，這會(huì)通過降低電化學(xué)活性表面來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)常見的有害副反應(yīng)是在充電過程中析出氫氣，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)的最常見修改試圖通過增加電極的可接觸表面積來提高利用率和反應(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-空氣電池正極的開發(fā)主要集中在高氧化電位下的材料穩(wěn)定性問題（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?，但電可逆性差。第二種電池是吸氣式水硫液流電池，其氧化還原活性材料、硫和氧之間沒有直接反應(yīng)。相反，堿金屬離子穿過將空氣正極與包含溶解的多硫化物物質(zhì)的負(fù)極分開的膜。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。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。盡管來自各種新技術(shù)的激烈競爭，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，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。
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（在美國和歐洲>99%）。由于它們使用水性電解質(zhì)，因此它們可以說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)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，其中一些問題已通過改進(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)展中國家可能會(huì)為這一趨勢提供一個(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)今面臨主要的競爭挑戰(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)萬次，日歷壽命超過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。
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