有些仍在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，有些已在生產(chǎn)中，然而每種電池技術(shù)作為一種有能力的電源都在引起人們的重視。
隨著向可再生能源的過渡與汽車工業(yè)電氣化進(jìn)程的推進(jìn)，鋰（鋰離子）受到了更多的關(guān)注。商業(yè)和技術(shù)媒體——包括我們《電池技術(shù)》(Battery technology)——報(bào)道了鋰動(dòng)力的最新進(jìn)展，包括這種元素是如何被開采、提煉、購(gòu)買、爭(zhēng)奪、應(yīng)用于電池以及消費(fèi)者充電的。我們?cè)谟懻撍膬?yōu)點(diǎn)的同時(shí)也討論它的缺點(diǎn)——例如，努力提高它在極端溫度下的性能和減輕熱失控。從它從地面被移除到最終，希望是安全的，被處理掉——整個(gè)媒體都在報(bào)道它作為電池行業(yè)的MVP。
但與此同時(shí)，在媒體聚光燈的相對(duì)陰影下，是一系列基于鋰以外物質(zhì)的電池技術(shù)。本周，我們分別分享了基于硫電池和鈉電池的研發(fā)更新。但這個(gè)小樣本僅僅觸及了非鋰電池開發(fā)的皮毛。用于按需儲(chǔ)存和供應(yīng)能源的材料和系統(tǒng)的范圍比人們想象的要廣泛得多。
出于這個(gè)原因，這里簡(jiǎn)要介紹10個(gè)例子。當(dāng)我們考慮電池不僅是電動(dòng)汽車的電源，而且是小型電子設(shè)備和城市規(guī)模的電網(wǎng)的電源時(shí)，正在開發(fā)的解決方案是廣泛的和令人印象深刻的。它們包括基于沙子、二氧化碳、熱和水的電池——這一列表非常接近經(jīng)典世界的元素類別，如土、空氣、火和水——從這些元素開始。你自己看。
沙子
芬蘭一家稱為Polar Night Energy的初創(chuàng)公司正在芬蘭小鎮(zhèn)Kankaanpää用一種基于沙子開發(fā)的電池為建筑物供暖：電池建成塔的形狀，可以容納100噸的沙子。通過風(fēng)能等可再生能源，尤其是太陽(yáng)能，沙子可被過熱至500°C左右，并可在漫長(zhǎng)寒冷的冬季保持約三個(gè)月的熱量。
鈣
紐約Troy的倫斯勒理工學(xué)院（Rensselaer Polytechnic Institute）研究人員提議，鈣離子可以作為鋰離子的代替，鈣離子是一個(gè)更環(huán)保、更高效且較低成本的能源儲(chǔ)存物質(zhì)。
倫斯勒理工學(xué)院工程系教授Nikhil Koratkar在新聞中表示：“我們目前通過水性水基電解質(zhì)中使用鈣離子研究一種廉價(jià)、豐富、安全且可持續(xù)的電池化學(xué)。”
盡管鈣離子相對(duì)于鋰而言，具有更大尺寸和更高電荷密度會(huì)削弱擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和循環(huán)穩(wěn)定性，Koratkar教授和他的團(tuán)隊(duì)提供了包含大開放空間（七邊形和六邊形通道）的氧化物結(jié)構(gòu)作為前景解決方案。他們的研究成果發(fā)表在《National Academy of Science》上，水性鈣離子電池采用正交晶和三角晶型鉬釩氧化物（MoVO）作為鈣離子的主體。
Koratkar教授表示：“鈣離子是二價(jià)的，因此在電池運(yùn)行期間插入一次離子將為每個(gè)離子提供兩個(gè)電子。這使得高效電池的鈣離子質(zhì)量和體積減少。然而，相對(duì)于鋰而言，更高的離子電荷和較大尺寸的鈣離子使得將鈣離子插入電池電極非常具有挑戰(zhàn)性。我們通過研發(fā)一種特殊種類的材料來解決這一問題，這種材料被稱為鉬釩氧化物，包含穿過材料的大六邊形和七邊形的通道。”
二氧化碳
Energy Dome在意大利Sardinia島上完成了一項(xiàng)概念驗(yàn)證設(shè)施，該設(shè)施可以為電網(wǎng)儲(chǔ)存長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)的能量，而成本才不到鋰離子電池系統(tǒng)的一半，存儲(chǔ)介質(zhì)為二氧化碳。當(dāng)風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源充足時(shí)，它們被用于從封閉系統(tǒng)的圓頂中提取二氧化碳，并在環(huán)境溫度下將其壓縮成液態(tài)。當(dāng)需要能源是，二氧化碳被允許膨脹進(jìn)入發(fā)電渦輪機(jī)，然后返回到圓頂，一直保持到下一個(gè)充電循環(huán)。
熱
麻省理工學(xué)院（MIT）與國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）合作研發(fā)了熱光伏（TPV）電池，通過被動(dòng)捕獲來自熱源的高能光子將熱能轉(zhuǎn)換為電能。根據(jù)MIT提供的數(shù)據(jù)，效率超過40%，其性能也較傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)更好。
據(jù)MIT新聞辦公室的消息，計(jì)劃是將熱光伏電池并入電網(wǎng)規(guī)模的熱電池。“該系統(tǒng)從太陽(yáng)能等可再生能源中吸收多余的能量，并將這些能量?jī)?chǔ)存在高度絕緣的熱石墨庫(kù)中。當(dāng)需要能源時(shí)，如陰天，熱光伏電池將熱能轉(zhuǎn)化成電能，并將能源傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。”
水
電池制造商Alsym Energy的發(fā)言人Woburn告訴CleanTechnica，該公司正在研發(fā)一種“無鋰、鈷或鎳，并且電解液是水基于有機(jī)溶劑。”此外，電池中使用的所有材料本質(zhì)上都是不易燃和無毒的，制造、應(yīng)用和壽命終止過程都是安全和環(huán)保的。電池正在研發(fā)用于電動(dòng)汽車和其他應(yīng)用。
相關(guān)信息不是很多，但很顯然Alsym與Synergy Marine共享了很多細(xì)節(jié)，以說服總部位于新加坡的船舶管理服務(wù)提供商與他們合作開發(fā)特定于海運(yùn)行業(yè)的應(yīng)用程序。根據(jù)Alsym的新聞發(fā)言稱：“Alsym將為Synergy與Nissen Kaiun提供從公司大批量生產(chǎn)的第一年開始，三年內(nèi)每年十億瓦時(shí)的電池，條件是電池系統(tǒng)滿足貨船和油船的關(guān)鍵性能等級(jí)和監(jiān)管要求。”
水（2）
到目前為止，電池最大的例子是位于瑞士Valais的Nant de Drance“水電池”，電池的組成部分是Vieux Emosson水庫(kù)，可以存儲(chǔ)2,500萬(wàn)立方米的水（超過6,500個(gè)奧林匹克規(guī)模的游泳池），并且下方的Emosson水庫(kù)是瑞士第二大水庫(kù)。
在兩個(gè)水庫(kù)之間600米深的洞穴中，有六個(gè)水力渦輪機(jī)，每個(gè)都可產(chǎn)生150MW的電能?？稍偕茉闯渥銜r(shí)，可為水力渦輪機(jī)提供動(dòng)力，將較低水庫(kù)的水泵取到較高的水庫(kù)中；當(dāng)需要時(shí)，通過渦輪機(jī)將水釋放回較低水庫(kù)，產(chǎn)生電能。根據(jù)Nant de Drance的說法，該巨型電池的儲(chǔ)能在2,000萬(wàn)kWh，相當(dāng)于40輛萬(wàn)電動(dòng)汽車的電池。
重力
荷蘭重型起重設(shè)備開發(fā)商Huisman Manufacturing與位于蘇格蘭Edenburgh的初創(chuàng)公司Graviticity合作，打造重力電池系統(tǒng)。設(shè)計(jì)概念是利用塔架或礦井懸掛重物。正如前面提到的基于沙子和水的例子一樣，當(dāng)可再生能源充足時(shí)，用于驅(qū)動(dòng)絞車提升重量；當(dāng)需要能源時(shí)，允許重量逐漸下降，并在此過程中發(fā)電。
樹木
可再生包裝、建筑產(chǎn)品和紙張制造商Stora Enso正與電池開發(fā)商N(yùn)orthvolt合作開發(fā)基于木材的電池。
Stora Enso的生物材料執(zhí)行副總裁Johanna Hagelberg表示：“與Northvolt的聯(lián)合電池研發(fā)標(biāo)志著我們向快速增長(zhǎng)的電池市場(chǎng)提供木材制成的可再生陽(yáng)極材料的旅程邁出了一步。木質(zhì)素基硬碳Lignode將確保歐洲陽(yáng)極原材料的戰(zhàn)略供應(yīng)，滿足從移動(dòng)到固定儲(chǔ)能應(yīng)用的可持續(xù)電池需求。”
據(jù)新聞報(bào)道稱，Northvolt將推動(dòng)電池設(shè)計(jì)，生產(chǎn)工藝研發(fā)以及擴(kuò)大技術(shù)規(guī)模。
紙&水
材料科學(xué)和技術(shù)開發(fā)商Empa研發(fā)了一種水活化一次性紙電池。研究人員建議這種電池可以用于多種低功耗、一次性使用的電子產(chǎn)品，例如，追蹤物體的智能標(biāo)簽、環(huán)境傳感器以及醫(yī)學(xué)醫(yī)療診斷設(shè)備。
Empa在新聞中提供了詳細(xì)信息：
電池是由面積至少為1平方厘米的電池，由印刷在矩形紙帶上的三種油墨組成的。鹽分散在紙帶上，較短的一端浸在蠟中。油墨含有石墨薄片，可以充當(dāng)電池正極（陰極），打印在紙張的一個(gè)平面上，而含有鋅粉的油墨可以充當(dāng)電池負(fù)極（陽(yáng)極），則印刷在紙張背面。另一種油墨包含石墨薄片和黑炭，打印在電池的兩面，并在另外兩種油墨上。這種油墨構(gòu)成了集電器，將電池的正極和負(fù)極連接到兩條電線上，這兩條電線位于紙的浸蠟端。
當(dāng)加入少量水時(shí)，紙上的鹽分溶解并釋放帶電離子，從而使電解液具有離子導(dǎo)電性。這些離子通過分散在紙中激活電池，導(dǎo)致陽(yáng)極油墨中的鋅被氧化，從而釋放電子。通過關(guān)閉外部電路，這些電子可以從含鋅陽(yáng)極通過含石墨和炭黑的油墨、電線和設(shè)備轉(zhuǎn)移到石墨陰極，它們被轉(zhuǎn)移到環(huán)境空氣中的氧氣，并因此減少氧氣。這些氧化還原反應(yīng)（還原和氧化）產(chǎn)生可用于外部電氣設(shè)備的供電的電流。
鉀
總部位于得克薩斯州的初創(chuàng)公司Group1表示，該公司是世界上第一家將新型鉀離子電池（KIB）陰極材料商業(yè)化的公司。在新聞報(bào)道中，該公司表示他們使用“機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的過程來優(yōu)化普魯士白鉀（KPW）陰極材料的生產(chǎn)，可以實(shí)現(xiàn)更快速、高效且安全的新型鉀離子電池，可能是鋰離子電池的可持續(xù)和關(guān)鍵替代品。”
該公司表明，由于該材料與現(xiàn)有石墨陽(yáng)極材料、電解質(zhì)、電池設(shè)計(jì)和鋰離子電池的制造相匹配，行業(yè)將加速采用Group1的KPW陰極材料。這意味著鋰離子電池制造商將不再需要改變現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，因?yàn)樗呀?jīng)可以用于生產(chǎn)由KPW陰極材料啟用的新型鉀離子電池。
根據(jù)Group1的數(shù)據(jù)，Group1的KPW陰極材料中使用的鉀在地球上的含量是鋰的1000倍，而且價(jià)格比鋰的價(jià)格合適20倍。
中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì) 楊柳翻譯