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摆脱“弃风弃电”困境 北大最新Nature带来新型电池

2022.9.08
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chloe

随遇而安

  在河北丰宁的坝上草原上,有一片漫山遍野的白色风车。你如果仔细观察会发现,有部分风车并没有在转动,只有小部分在转动发电。

  “这是风车在有序停工,也就是我们说的‘弃风弃电’。”北京大学材料科学与工程学院特聘研究员庞全全告诉《中国科学报》。

  如何让这些大风车物尽其用呢?

  8月25日,庞全全联合麻省理工学院、滑铁卢大学、武汉理工大学、阿贡国家实验室等单位的研究人员,在Nature上发表了一篇题为《无晶枝短路的快速充电铝硫电池》(Fast-charging aluminium-chalcogen batteries resistant to dendritic shorting)的新研究成果,有望解决这个难题。

  让大风车满负荷运转

  这些高度超过50米的大风车,好不容易被搬到海拔1000多米的高山上,为什么不让它们满负荷运转呢?

  庞全全解释道,这是因为风力发电如果当地消耗不了,就需要并入大规模的电网。当前的电网需要在维持供应与消耗基本等量的同时,实现频率稳定以确保高质量的电力,所以其能够接受风电这一“额外电量”的能力有限。

  换言之,如果突然这么多风力发电上网的话,电网会因受到极大的冲击而遭遇威胁;如果电网被设置为高消纳能力,则当风力锐减的时候,电网却又会极大降低频率。对于太阳能发电,也是同样的道理。

  “我们的研究一方面可以进行局部地区的电力消纳,也就是发电侧的分布式储能电站,风电多的时候靠电池存起来,风电少的时候电池将电释放出去;另一方面,可以使用电池来进行风电并网的调节,也就是电网侧的独立电站,进行调峰调频。”他说,“当然我们的电池还可以用于工商业或者家庭储能的电源,进行峰谷电价套利。”

  峰谷价差套利,是目前用户侧储能最主要的盈利方式,即通过晚上电网低谷时期为储能电站充电,白天用电高峰时放电,来达到节约用电成本的目的。

  首篇Nature带来新型电池

  这也是庞全全的首篇Nature。

  他告诉《中国科学报》:“大概5~6年前,我在锂硫电池的硫正极以及电解液设计中产生的灵感,并将其带到了低成本的铝电池领域。”

  庞全全上一篇相关的研究论文发表于Nature Energy,主要介绍了如何利用电解液设计来实现高性能锂硫电池。最新的这篇Nature介绍了一个全新的电池体系,在电解质以及正负极的使用上比较独特。

  庞全全表示:“在Nature介绍的这项工作中,我们研发的铝离子电池使用高安全不可燃的熔融盐电解质、超低的电池材料成本(铝为负极、硫为正极)和超高充放电速度(几十秒到几分钟的时间范围内完成充电),相对于磷酸铁锂电池在成本、安全性和电池效能上均有突出优势。

  他进一步解释道:“由于使用的熔融盐电解质的热稳定性高,不可燃,使得电池体系具有高安全性,解决了大规模集成系统安全性方面的疑虑。”

  另外,该电池体系使用元素丰富的硫作为正极,在较温和的温度110℃(其他熔融盐铝电池工作温度在300~600℃之间,故又称高温电池)下也可以正常运行。

  在二次电池领域深耕

  当前,在风电光电装机规模急速增长背景下,与其配套的“风光储”系统中的储能电池发展一直严重滞后。

  今年6月29日,国家能源局综合司发布的关于征求《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022年版)(征求意见稿)》指出,中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池,不宜选用梯次利用动力电池。

  随着储能电站安全、成本、效益等问题凸显,亟需电化学储能体系的革新,以实现储能电站安全、成本、效益等问题的本质变革。

  这也是庞全全等人研究储能电池的目标所在。

  从锂硫电池、锂金属电池到熔融盐电池,再到实验室正在大力发展的全固态电池,庞全全一直都在二次电池领域开展研究工作。

  庞全全告诉《中国科学报》:“我们最新研发的这款新型铝电池由于成本低、快充能力强,有望为发电侧清洁能源并网、电网侧的调频、调峰等领域应用带来突破。”

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