熔盐电池可将电池“冻结”以不损失能量

SARA LEVINE/PACIFIC NORTHWEST NATIONAL LABORATORY

随着电网脱碳压力的增加，对可再生能源发电的长期储存选择的需求也在增加，尤其是对风能和太阳能等非连续可用的能源。虽然可充电电池是消费者层级使用的首选解决方案，但在电网规模的考虑中，它们是不切实际的。科学家们一直在寻找重力储能、热能或地热储能以及熔盐电池的解决方案。

太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）最近的一项研究着眼于熔盐电池，这种电池可以将其电量“冻结”数月直到需要使用时为止。

在他们的概念证明中，研究人员报告称，电池在三个月内保留了92%的容量。“目前我们有一些案例正在进行为期六个月的测试，”该研究的第一作者Minyuan“Miller”Li说。他预计，在这段时间内，电池可保留80%以上的电量。

顾名思义，熔盐电池使用液态熔盐电解液，在室温下结冰，使电池处于非活动状态。当阳极被激活时，作为高导电性的电解液，与熔融的电解质交换。

电池在季节性或长期储存时通常不可靠，因为它们在不使用时会放电。然而，在PNNL团队的演示中，熔盐的冻融机制能够避免这个问题。他们分别使用镍和铝作为阴极和阳极的材料，四氯化铝钠（NaAlCl4）作为熔盐电解液 —— 所有这些都是相对便宜、土壤丰富的材料。这种电解液的熔点约为157ºC，在很大的室温范围内保持固态。

首席研究员Guosheng Li解释说：“我们希望在可再生能源充足的时候给电池充电，然后我们将电池保持在环境温度下，环境温度会使电池冻结……并关闭自放电，以便长期储存。”他继续说，到了使用电池的时候，有几种不同的方法来加热电池。例如，“我们可以使用废热，或者……一开始就激活一些电池，然后用这些电来自我加热。”

为了展示他们的概念，研究人员建造了一个相对较小的冰球大小的电池。但考虑到这些材料很容易获得，Li认为在实际应用中扩大规模没有任何障碍。即便如此，他说，“我们知道（这些）可能不是最好的材料，因此我们的下一个目标是用成本较低的材料取代镍。”

铁是他们正在考虑的替代品之一，同时也在考虑电解质的其他选择。目前NaAlCl4的熔点为157ºC，高于研究人员的预期。“在未来的研究中，我们将致力于低成本材料和相对较低的工作温度，但仍会高于环境温度，”Li说，“我们想在环境温度下冻结电解液，所以70或80度（冰点）左右是理想的，这意味着我们不需要像研究中那样将电池加热到180度。”

另一位合著者Vincent L. Sprenkle补充说，当涉及到潜在的应用时，它们的工作温度越低，它们的情况就越好。“我们设想的潜在应用之一是关于关键基础设施的弹性问题，”他说，“如果你真的能冻结这种自放电机制，这些电池系统能在某个地方放置数年，然后……（在需要时）用现成的方法加热吗？”

PNNL团队正试图为商业应用设定2030年至2035年的时间框架，尤其是在已部署和运行的系统中使用。换句话说，前面还有一条漫长的路。正如Li所指出的，这个概念证明只是为了看看这项技术是否可行。“如果我们能做一个更精美的实验，我相信我们能降低温度，也许能刚好高于室温……并节省大量能源。”

除了降低工作温度和用成本较低的材料替换堆芯外，研究人员认为，随着规模的扩大，还有其他挑战将变得更加明显。Sprenkle补充道，一个重要的问题是了解储存能量的价值。研究人员指出，为季节性存储而设计的电池每年可能只充电和放电一到两次。与设计用于为电动汽车，笔记本电脑或其他消费类设备供电的电池不同，它们不需要持续数百或数千个循环。