化学形式储能

第四节　化学形式储能

在全球性资源紧缺与环境恶化的背景下，电动汽车逐步替代传统燃油汽车已是全球共识。动力电池是电动汽车的技术核心，被称为电动汽车的心脏。在混合动力汽车、纯电动汽车中，电力驱动系统的价值均占整车成本的一半以上，而动力电池在电力驱动系统中的成本比例则高达50%～70%。因此，动力电池的性能和成本直接决定了新能源汽车的发展路线。电动汽车最适合的电池是镍氢电池、锂离子电池和氢燃料电池。这三类电池的主要区别在于：后者比前者的比能量依次增高，但成本依次增加，需要攻克的关键技术的难度也依次增大。

相比之下，镍氢电池的技术最为成熟，已经是混合动力汽车动力电池的最佳选择，但仍不能满足纯电动汽车的要求；锂离子电池是当前人气最高的动力电池“明星”，是纯电动汽车动力电池的“不二人选”；长远来看，氢燃料电池将成为动力电池的终极选择，但目前技术尚不成熟，仍面临许多世界性难题。

一、可充电电池储能

可充电电池储能也就是二次电池，亦叫蓄电池。它是一种电化学储能方式，是一种有悠久历史的储能技术。以前由于它的价格、储能密度等因素，并不把它放在能源领域的储能范围之内。但近年来随着技术进步，可充电电池也开始被用于大规模储能领域，特别是在独立运行的风力或太阳能发电站中，可充电电池已成为基本的储能装备。可充电电池有多种类型。铅酸电池是人们最熟悉的一种可充电电池，现在密封型免维护的铅酸电池已成为这类电池的主流。碱性电池中的镍镉电池现在已被镍氢电池逐步取代。与碱性电池相比，铅酸电池有容量大、结构坚固、充放循环次数多等优点，但其价格也贵得多。这就限制了它在能源领域中的应用。另一类性能优异的可充电电池是近年来出现的锂离子电池，它彻底解决了充放电的记忆效应，大大方便了使用，在制造过程中基本避免了对环境的污染，有“绿色电池”之称。但其主要缺点是价格太贵，如果能进一步提高储能密度并降低成本，那么它将很有希望用于供电设备的储能中。实现可充电电池在电力系统中大规模应用的主要技术难关是提高电池的储能密度，降低价格以及延长寿命。

镍氢电池

二、新型可充电含碳纳米管电池

随着智能手机在功能性方面的不断进步，电池续航能力及寿命却越来越无法满足用户的需求。目前，一种新型可充电含碳纳米管电池制造技术为解决这一问题带来了曙光。

含碳纳米管

美国马萨诸塞理工大学的科学家发现，在电池一端电极中使用含碳纳米管可以比现在的锂离子电池蓄存更多的电力。科学家在实验室中使用多层含碳纳米管制造电池的正极，同时使用锂钛氧化物制造电池的负极。这种电池在充电效率及蓄电能力方面远比目前最高端的锂离子电池优良。科学家对新研发的含碳纳米管电池进行了1000次充放电实验。结果在经历1000次充放电后，含碳纳米管电池内的物质属性变化极微，电池蓄电能力未见丝毫减少。这也就证明，含碳纳米管电池拥有比锂离子电池更长的使用寿命。但目前这种含碳纳米管电池仍仅处于实验室研发阶段。制约这种新型电池普及的主要原因在于，含碳纳米管基板在制成电池电极之前须在两种不同的电池溶解液中浸泡，而这一过程极其费时。

三、“锂空气”电池

现在是汽车吸进空气使其与汽油一起燃烧，将来空气将会用于电化学反应。在未来的“锂空气”电池中，空气中的氧气被当作锂电极的反应物。这样电池就像一个燃烧发动机。这种“锂空气”电池将可以重复充电使用，还将拥有之前锂离子电池所没有的一些功能。这项研究可能花费数年，同时也是一个具有极高风险的研究项目。

但是想要使电动汽车的电池既安全又经济，暂时还是无法实现的，即便“锂空气”电池也是如此。

四、氢 储 能

氢储能的提出主要是受到燃料电池成功开发的影响。燃料电池目前已经到了可供实际使用的阶段。

（一）氢储能的意义

为了调节电能峰谷，电网中常需要启动快和比较灵活的发电系统，氢能发电就最适合扮演这个角色。利用氢气和氧气燃烧，可组成氢氧发电机组。它不需要复杂的蒸汽锅炉系统，因此结构简单，维修方便，启动迅速，要开即开，欲停即停。在电网低负荷时，还可吸收多余的电来进行电解水，生产氢气和氧气，以备高峰时发电用。这种调节作用对于电网运行是有利的。另外，氢气和氧气还可直接改变常规火力发电机组的运行状况，提高发电站的发电能力。例如氢氧燃烧组成磁流体发电，利用液氢冷却发电装置，进而提高机组功率等。

（二）氢能的优点

氢能具有以下优点：（1）能量高，除核燃料外，氢气的发热量是目前所有燃料中最高的；（2）氢气燃烧性能好，点燃快；（3）氢气本身无色、无味、无毒，十分纯净，它自身燃烧后只生成水和极少量的氮化氢，而不会产生一氧化碳、铅化物和颗粒尘粉等对人体有害的污染物质，极少量的氮化氢稍加处理后也不会污染环境，而且氢气燃烧后所生成的水，还可继续制氢，反复循环使用；（4）利用形式多，可以以气态、液态或固态金属氢化物出现，能适应储运及各种应用环境的不同要求。这些都是吸引人们努力去研究它的原因。但氢储能在应用和研究中，还存在一些问题亟待解决，主要包括氢气的制备问题、催化剂的价格问题和氢气的储存问题。

（三）氢气的产生

传统的制氢方式主要是通过煤、石油、天然气的裂解产生氢气，或者通过电解水制得氢气。由于在氢气制备的过程中消耗了大量的化石燃料，且造成区域环境污染和全球变暖，所以开发绿色清洁制氢途径便成为氢能源开发的目标之一。

利用太阳能制备氢气是绿色清洁的制氢方法，包括光热分解水、光电分解水、光合生物分解水以及光催化分解水等。其中光催化分解水是最理想的制氢手段。

（四）储氢材料

氢能由于其高效性和清洁性而备受重视，各国科学家正竞相开发与氢能相关的产品，镍氢电池、氢燃料电池汽车等相关产品正从实验室走向社会，氢能经济即将到来。

氢气制备装置

氢能的使用涉及三个部分：制备、储存和能量转化。其中，氢气的储存是氢能使用的关键环节。尤其在车载氢能源的使用过程中，氢气的储存是至关重要的一步。从经济角度出发，储氢材料必须具备较大的储氢密度和储氢体积。传统的储氢方法有高压储氢、液氢储氢、金属氢化物储氢等。

传统的储氢方法储氢量较低，并且耗能严重。因此，必须寻找新的有效的储氢材料和方法来满足车载氢能源的要求。储氢材料根据吸放氢的机理可分为两大类：物理吸附储氢材料和化学储氢材料。物理吸附储氢材料主要依靠材料和氢气之间的范德瓦耳斯力来吸附氢气，代表材料有碳纳米管以及金属有机框架化合物（MOF）等；化学储氢材料主要通过循环吸放氢过程中生成新的氢化物来储氢，主要有轻质金属镁、铝氢化物、氨基化合物、硼氢化合物等。

储氢材料除了必须满足储氢量大的条件外，还应满足吸放氢温度较低和速度较快等条件。轻质金属储氢具有储氢量丰富等优点。为了进一步提高轻质金属的储氢动力学性能，科学家通过调节轻质金属储氢材料的颗粒大小、结构、形貌和组分，以及添加催化剂等来改善其储氢动力学性能和热力学性能。

储氢装置

储氢研究的一个重要方向是氢致光变薄膜的研究。这种由于金属薄膜吸放氢气所产生的光性质变化，就像是一个具有开关效应的镜子可以使光产生反射或透射。科学家把能产生这种现象的金属氢化物薄膜称为“可切换的镜子”。他们把这种现象解释为金属薄膜通过氢气的吸收由金属特性转变成为绝缘体，在能带上产生一个禁带，当光子的能量在这个范围时就不会被薄膜吸收从而能够穿透薄膜。氢气吸收引起的金属/绝缘体相变是薄膜的光穿透性变化的根本原因。

吸氢前 吸氢后“可切换的镜子”——储氢金属薄膜

五、燃料电池

燃料电池能将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，实际转换效率可达60%以上，而且污染少，噪声小，装置可大可小，非常灵活。原先这种发电装置很小，造价很高，主要用于航天领域；现在已大幅度降价，逐步转向地面应用。

燃料电池有多种，各种燃料电池之间的主要区别在于使用的电解质不同。质子交换膜燃料电池以质子交换膜为电解质，其特点是工作温度低，启动速度快，特别适于用作动力电池。电池内化学反应温度一般不超过80摄氏度，故也被称为“冷燃烧”。质子交换膜燃料电池是具有革命意义的新一代能源动力系统，被认为是继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统。

质子交换膜燃料电池

（一）燃料电池的特点

燃料电池十分复杂，涉及化学、、、热力学电化学材料科学电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有能量转换效率高、环境污染少等优点。具体来说，燃料电池具有以下特点：

1．能量转换效率高

燃料电池能量转换效率比热机和发电机高得多。它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前汽轮机或柴油机的能量转换效率最大值为40%～50%，当用热机带动发电机时，其总效率仅为35%～40%，而燃料电池的理论能量转换效率可达90%。

2．污染小，噪声低

作为大中型发电装置使用时，燃料电池突出的优点是能减少污染排放。对于氢燃料电池而言，发电后的产物只有水，可实现零污染。另外，由于燃料电池无热机活塞等机械传动部分，故操作环境无噪声污染。这些都有利于空气质量和环境的改善。

3．可靠性高

燃料电池发电装置由单个电池堆叠至所需规模的电池组构成。由于这种电池组是模块结构，因而维修十分方便。另外，当燃料电池的负载有变动时，它会很快响应，使处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行时，它都能承受而且效率变化不大。

4．组装灵活方便

燃料电池发电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中式发电站还是分布式发电站，或是作为社区、工厂、大型建筑的独立发电站都非常合适。

5．比功率高

燃料电池电动车辆发动机的比功率在输出功率为50千瓦以下时远比汽油发动机高。

6．燃料适用范围广

燃料电池可以使用各种初级燃料，例如天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油；也可使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐煤、废木、废纸，甚至城市垃圾，它们经专门装置处理后都可使用。

7．负荷响应快，运行质量高

燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且发电厂离负荷可以很近，从而减少了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。

（二）燃料电池的种类

目前，燃料电池的种类很多，除前文介绍的质子交换膜燃料电池外，主要还有以下几种：

1．磷酸燃料电池

磷酸燃料电池是最早的一类燃料电池，工艺流程基本成熟，美国和日本已分别建成4500千瓦及11000千瓦的商用发电站。这种燃料电池以磷酸为电解质，操作温度为200摄氏度，最大电流密度可达到150毫安每平方厘米，能量转换效率约45%。燃料以氢气、甲醇等为主，氧化剂用空气，但催化剂为铂系列。目前发电成本尚高，为每千瓦时40～50美分。

2．熔融碳酸盐燃料电池：

熔融碳酸盐燃料电池一般称为第二代燃料电池，其运行温度在650摄氏度左右，能量转换效率约55%，日本三菱公司已建成10千瓦级的发电装置。这种燃料电池的电解质是液态的碳酸盐，由于工作温度高，可以承受一氧化碳的存在。燃料可用氢气、一氧化碳、天然气等，氧化剂用空气。每千瓦时发电成本可低于40美分。

3．固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池被认为是第三代燃料电池，以复合氧化物为电解质，能量转换效率在燃料电池中是最高的，但这种电池工作温度高，体积较大，只适合用于大型、固定电源。针对目前小型、便携电源的需求日趋旺盛，需要研发微型固体氧化物燃料电池，这就要使用烃类化合物作为燃料。而在原有技术条件下，烃类化合物在低于600摄氏度的环境下难以直接用于发电。因此，如何改进技术，使烃类化合物能在低温下发电是亟待解决的问题。

燃料电池

2011年，日本和美国研究人员研制出一种微型固体氧化物燃料电池，这种燃料电池添加了特殊的催化剂层，可大大降低电池的工作温度。研究人员在这种管状微型固体氧化物燃料电池内壁涂覆纳米尺寸的二氧化铈层，作为燃料电池的重整催化剂层。实验证实，这种管状结构和催化剂层能使烃类化合物燃料电池在450摄氏度的相对低温下发电。这一研究成果有助于早日研制出能在相对低温环境下工作的紧凑型烃类化合物燃料电池系统。

实践馆：

1．我们发现，储能的方法很多，可用多种途径来实现电能的储存。除了书中介绍的方法，还有别的储能方法吗？请你去查阅资料了解一下。

2．超导的应用越来越广泛。请你查阅资料，联系学过的关于电阻的知识，去了解什么是超导，什么样的材料和条件才能形成超导。