2015年上半年储能技术发展动态

      2015年以来，各类储能技术的研发不断取得突破。总结2015年以来储能技术的研究开发动态，锂离子电池仍然是发展最活跃的一类储能技术。

      锂离子电池的研发主要分为两个方向，一个方向是基于常规的正负极材料体系，通过设计和制备新材料、研发新的合成制备工艺、控制和优化材料的形貌和结构等手段，提升材料的循环寿命、优化电池体系的电化学性能;另一个方向是从锂离子电池体系出发，探索与之相类似的铝离子电池、钠离子电池、锂硫电池、锂空气电池等新型电池体系。

      中关村储能产业技术联盟对储能技术发展一直保持长期关注和跟踪，本文将选取2015年上半年具有代表性意义的储能技术研究成果进行简要介绍。

      将太阳能电池与二次电池相结合，同时实现能量的转化与储存

      Ohio大学科学家在锂碘液流电池的基础上整合了染料敏化太阳能电池的TiO2光电极从而开发了锂碘太阳能液流电池(Li-I SFB)的概念，可以实现对太阳能同时转化与储存。

      Li-I SFB体系是一个三电极结构，金属锂是负极，Pt是对电极，染料敏化TiO2是光电极;其中Pt对电极和染料敏化TiO2光电极同时储存在正极室，与金属锂负极相对，含碘溶液作为电解液。在光支持的充电过程，I-被光电化学氧化为I3-，从而捕获并且储存了太阳能。由于有光电压的支撑，该体系的充电电压可以降低到2.9V，低于3.3.V的放电电压。充电电压的降低也意味着与传统锂离子电池相比，可以节省20%的能量。这一概念也可以推广应用于其他金属液流电池体系。

      此前该课题组还曾利用相似的概念开发出新型太阳能锂空气电池。该电池将染料敏化光电极与锂空气电池的氧电极组合在一起，实现对锂空气电池的光支持充电(photo-assisted ging)，大幅降低了充电过程中由于Li2O2分解困难而造成的过电势，提高循环效率、避免氧电极性能衰减。

      新型高容量负极材料不断涌现，提升锂离子电池的能量密度和功率性能

      清华大学与MIT的研究人员联合开发了一种高容量、长寿命、大倍率的锂离子电池负极材料。这种材料由纳米铝和TiO2组成核壳结构，可以在10C倍率下循环500次，并且放电容量超过650mAh/g，对于提升锂离子电池的功率性能和能量密度具有重要意义。铝作为锂离子电池负极虽然具有较高的理论容量，但是在循环过程中会出现体积膨胀、结构坍塌等问题，因此循环寿命短，无法实际应用。该项研究成果可以极大地推动铝在锂离子电池负极材料中的应用。

      硅负极材料一直是锂离子电池负极材料研究的重点体系，近年来硅负极材料的性能不断得到突破，以硅为负极材料的锂离子电池已经开始准商业化应用。ASA 的Game Changing Development (GCD) 项目进入第二阶段，目的是为未来美国外太空探索开发先进、大容量、长寿命的电池系统。在选定的两项储能技术中，其中一项就是加州Amprius公司基于硅负极材料的高比能量锂离子电池系统。

      2015年三星先进技术研究院借助石墨烯开发了一种高容量的复合硅负极材料，有效解决了硅负极材料的体积膨胀问题，大幅提升锂离子电池的体积容量。与LiCoO2组成电池，该体系在第一周和第200周的体积能量密度分别为972和700Wh/L，比目前商业钴酸锂电池产品提升1.8和1.5倍。

      开发固态电解质体系，提升电池的安全性能

      与LiPF6等传统液态电解液体系不同，固态电解质具有优秀的安全性能，可以大大降低电池体系的热膨胀、避免电解液恢复泄露问题以及枝晶生长造成的短路问题。

      来自MIT、三星先进技术研究院、加州大学圣迭戈分校、马里兰大学等机构的科研人员共同发表研究成果，开发了一种锂、锗、磷和硫元素组成的固体锂离子电解质并研究了有利于离子快速迁移的结构和路径，为开发固态电解质体系奠定了基础。

      2015年PATHION公司获得Los Alamos National Laboratories的专利授权，日前开发并推出两种新型超离子固态电解质材料，并得到ARPA-E项目的支持。第一种为LiRAP材料(Lithium-Rich Anti-Perovskite，富锂的反尖晶石材料)，可以用于锂离子电池和锂硫电池。LiRAP固体电解质材料除了对Li+具有良好的传导性，还可以直接使用金属锂做负极并且实现高电压和高电流，从而大大提升固态电解质体系的能量和功率密度。第二种为LiGlass材料类，可以用于钠离子电池，LiGlass在室温至200度的范围内都可以实现超快的钠离子传导，能量密度达到1000Wh/kg。

      开发快速、可逆的铝离子电池体系，实现铝系电池的重大突破

      斯坦福大学戴宏杰课题组在Nature上发表研究成果，开发出具有超快可逆充放电能力的铝离子电池体系。该电池解决了传统铝离子电池开发过程中一直面临的正极嵌入性差、放电电压低、无放电电压平台、循环寿命短(不足100周)、容量衰减快(100周循环后容量仅26-85%)等问题。电池在2V左右出现放电电压平台，放电容量接近70mAhg-1，能量密度~40Whkg-1(接近铅酸电池)，功率密度达到3000Wkg-1(接近超级电容器)。

      该电池以铝箔做负极，以AlCl4-作为导电离子，以离子液体AlCl3/[EMIm]Cl为电解液，分别对比了泡沫石墨和热解石墨两种正极材料体系。其中以泡沫石墨为正极的体系，可以实现5000mAg-1(75C)的快速充放电，7500个循环后容量保持率接近100%。

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