在河北豐寧的壩上草原上，有一片漫山遍野的白色風(fēng)車。你如果仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)，有部分風(fēng)車并沒有在轉(zhuǎn)動，只有小部分在轉(zhuǎn)動發(fā)電。
“這是風(fēng)車在有序停工，也就是我們說的‘棄風(fēng)棄電’。”北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院特聘研究員龐全全告訴《中國科學(xué)報》。
(資料圖)
如何讓這些大風(fēng)車物盡其用呢？
8月25日，龐全全聯(lián)合麻省理工學(xué)院、滑鐵盧大學(xué)、武漢理工大學(xué)、阿貢國家實驗室等單位的研究人員，在Nature上發(fā)表了一篇題為《無晶枝短路的快速充電鋁硫電池》（Fast-charging aluminium-chalcogen batteries resistant to dendritic shorting）的新研究成果，有望解決這個難題。
讓大風(fēng)車滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)
這些高度超過50米的大風(fēng)車，好不容易被搬到海拔1000多米的高山上，為什么不讓它們滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)呢？
龐全全解釋道，這是因為風(fēng)力發(fā)電如果當(dāng)?shù)叵牟涣?，就需要并入大?guī)模的電網(wǎng)。當(dāng)前的電網(wǎng)需要在維持供應(yīng)與消耗基本等量的同時，實現(xiàn)頻率穩(wěn)定以確保高質(zhì)量的電力，所以其能夠接受風(fēng)電這一“額外電量”的能力有限。
換言之，如果突然這么多風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)的話，電網(wǎng)會因受到極大的沖擊而遭遇威脅；如果電網(wǎng)被設(shè)置為高消納能力，則當(dāng)風(fēng)力銳減的時候，電網(wǎng)卻又會極大降低頻率。對于太陽能發(fā)電，也是同樣的道理。
“我們的研究一方面可以進(jìn)行局部地區(qū)的電力消納，也就是發(fā)電側(cè)的分布式儲能電站，風(fēng)電多的時候靠電池存起來，風(fēng)電少的時候電池將電釋放出去；另一方面，可以使用電池來進(jìn)行風(fēng)電并網(wǎng)的調(diào)節(jié)，也就是電網(wǎng)側(cè)的獨立電站，進(jìn)行調(diào)峰調(diào)頻。”他說，“當(dāng)然我們的電池還可以用于工商業(yè)或者家庭儲能的電源，進(jìn)行峰谷電價套利。”
峰谷價差套利，是目前用戶側(cè)儲能最主要的盈利方式，即通過晚上電網(wǎng)低谷時期為儲能電站充電，白天用電高峰時放電，來達(dá)到節(jié)約用電成本的目的。
首篇Nature帶來新型電池
這也是龐全全的首篇Nature。
他告訴《中國科學(xué)報》：“大概5～6年前，我在鋰硫電池的硫正極以及電解液設(shè)計中產(chǎn)生的靈感，并將其帶到了低成本的鋁電池領(lǐng)域。”
龐全全上一篇相關(guān)的研究論文發(fā)表于Nature Energy，主要介紹了如何利用電解液設(shè)計來實現(xiàn)高性能鋰硫電池。最新的這篇Nature介紹了一個全新的電池體系，在電解質(zhì)以及正負(fù)極的使用上比較獨特。
龐全全表示：“在Nature介紹的這項工作中，我們研發(fā)的鋁離子電池使用高安全不可燃的熔融鹽電解質(zhì)、超低的電池材料成本（鋁為負(fù)極、硫為正極）和超高充放電速度（幾十秒到幾分鐘的時間范圍內(nèi)完成充電），相對于磷酸鐵鋰電池在成本、安全性和電池效能上均有突出優(yōu)勢。
他進(jìn)一步解釋道：“由于使用的熔融鹽電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性高，不可燃，使得電池體系具有高安全性，解決了大規(guī)模集成系統(tǒng)安全性方面的疑慮。”
另外，該電池體系使用元素豐富的硫作為正極，在較溫和的溫度110℃（其他熔融鹽鋁電池工作溫度在300～600℃之間，故又稱高溫電池）下也可以正常運(yùn)行。
在二次電池領(lǐng)域深耕
當(dāng)前，在風(fēng)電光電裝機(jī)規(guī)模急速增長背景下，與其配套的“風(fēng)光儲”系統(tǒng)中的儲能電池發(fā)展一直嚴(yán)重滯后。
今年6月29日，國家能源局綜合司發(fā)布的關(guān)于征求《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求（2022年版）（征求意見稿）》指出，中大型電化學(xué)儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，不宜選用梯次利用動力電池。
隨著儲能電站安全、成本、效益等問題凸顯，亟需電化學(xué)儲能體系的革新，以實現(xiàn)儲能電站安全、成本、效益等問題的本質(zhì)變革。
這也是龐全全等人研究儲能電池的目標(biāo)所在。
從鋰硫電池、鋰金屬電池到熔融鹽電池，再到實驗室正在大力發(fā)展的全固態(tài)電池，龐全全一直都在二次電池領(lǐng)域開展研究工作。
龐全全告訴《中國科學(xué)報》：“我們最新研發(fā)的這款新型鋁電池由于成本低、快充能力強(qiáng)，有望為發(fā)電側(cè)清潔能源并網(wǎng)、電網(wǎng)側(cè)的調(diào)頻、調(diào)峰等領(lǐng)域應(yīng)用帶來突破。”
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04983-9
