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液流電池在汽車上應用的前景如何?

2018年08月10日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 13 ℃ 次

【JoeMartini的回答(11票)】:

已經畢業太久了,而且也已經太久沒在知乎寫長答案了,有錯誤歡迎指出,請輕拍……

截取自今天終於寫完的寫了半個多月的一篇博客,原文在此:

【半瓶CommentsNo.0】nanoFLOWCELL 液流電池 燃料電池 超級電容器 和 電動車

先說結論:這是一種改良型的液流電池,它是一種過渡技術,長遠來看在新能源汽車方面應用前景受限,但短期內有繼續挖掘的價值。

在電力驅動方面,理想的動力電源應該同時滿足「高能量密度」和「高輸出功率」兩項苛刻要求——高能量密度意味著相同重量的電池可以儲存更多電能,或者在儲存相同電能的情況下使用更輕的電池組;而高的輸出功率意味著車輛的電動機可以工作更搞的功率下,既車輛可以更快。

在此次的nanoFLOWCELL之前,普遍認為適合做動力電源的主要是燃料電池、超級電容器等技術。燃料電池其實已經完全不是一種「電池」,在使用電能這種「二次能源」,而是一種新的發電技術,開著燃料電池汽車,是需要加油加氣加氫或者加別乙醇之類燃料的,而不是需要充電。燃料電池通過直接將化學能轉化為電能輸出,省卻了化學能到熱能,到機械能,再到電能的中間環節和損耗,能量效率相當不錯。而超級電容器則是直接、純物理方式儲存電能的裝置,由於沒有化學反應發生,電荷被直接加載到機板上,充電幾乎是「秒充」——上海世博會上到站、停車、充電、斷電、走人的超級電容器公交車實在是令人印象深刻。

超級電容器的優勢在於充放電迅速,劣勢也在於充放電迅速,它的充放電曲線十分陡峭,完全沒有化學電池的充放電「平台」,沒有電壓、電流都相對穩定的這樣一個階段。換句話說,它的放電近似於「失控」,能以多快的速度放走,就會以多快的速度放走,這也成了限制超級電容在很多需要穩定電壓的應用領域,比如絕大多數消費電子產品,裡使用的瓶頸。

鋰電池,以及所有嚴格意義上的「電池」,本質上都是將本已經釋放出來的一次能源重新儲存到電池的電極材料之中的過程,它們因此被稱為二次能源。同時也因此失去了一部分能量效率(當然,輸電部分的損耗如今越來越小,充電部分損耗也越來越可控,相比於小型內燃機的能量效率,使用電池依然是相對環境友好的),其環保性也因此受到一定質疑——電極材料的生產、儲存、使用、報廢的過程中,未必全程是環境友好的。

說nanoFLOWCELL是一種新型電池是對的,但它並不是全新的技術。液流電池已經出現已久,但是隔膜損耗、能量效率不高等問題限制了這種電池的應用。這種電池在結構上與燃料電池非常相像,也並不複雜。如果大家還記得帶鹽橋的原電池的話,可以想像液流電池就是將鹽橋換成了一層薄膜,並將石墨一類惰性電極設置在上面。依然是原來的氧化還原反應,只不過氧化劑與還原劑分別緩緩流過隔膜兩側,就實現了電極反應的不斷進行。

Flow cells are chemical batteries that combine aspects of an electrochemical accumulator cell with those of a fuel cell. Liquid electrolytes circulate through two separate cells in which a 「cold burning」 takes place, during which oxidation and reduction processes happen in parallel and thereby produce electrical power for the drive train.

早些時候MIT通過層流技術(兩種液體相互接觸但不混合,井水不犯河水得相對流動)去掉了液流電池的隔膜,獲得了相當不錯的實驗室效果。但之後其實際應用的相關報道一直沒有見到(猜測其原因或許是層流狀態的維持需要比較穩定的環境,實際應用中情況複雜,轉化成實際產品尚待時日)。

MIT的液流電池結構示意圖

nanoFLOWCELL的改進思路與MIT不同,他們選擇了改進液流電池「液」的部分(如果可以簡單的說MIT改進了「流」的部分的話)。根據外媒的相關報道,nanoFLOWCELL使用了新的、高濃度的電解液來實現高能量密度的電能存儲。當然,氧化、還原兩種電解液到底是什麼(是否仍屬於前期研究較多的釩電池),高濃度又有多高,使用過程中電解液濃度是否降低(不降低的話就需要設計廢液的儲匯結構了吧)等相關技術細節我們目前都無從瞭解。

不過官網也給出了一點信息——不使用重金屬和稀土元素,這確實只是一點點信息,因為已有的全釩液流電池似乎也是如此。另外,年初的時候哈佛研發出了不含金屬元素的有機—無機水性液流電池,突出的特點是大幅度降低了液流電池的存儲容量成本,並保持了相當高的能量效率。不過從時間上來看,應該與nanoFLOWCELL關係不大。

至於隔膜問題,公司網站上給出的信息沒法做出任何有效的推斷,只能猜測通過納米技術取得了不錯的進展,避免了之前液流電池一直面臨的隔膜損耗問題,或者將其損耗進行了有效控制吧。

接下來是nanoFLOWCELL的官方解釋:

nanoFLOWCELL結構示意圖(1)nanoFLOWCELL結構示意圖(1)

nanoFLOWCELL結構示意圖(2)nanoFLOWCELL結構示意圖(2)

A TANK 電解液儲箱

B nanoFLOWCELL? 液流電池

Four electric motor units make up the QUANT e-Sportlimousine』s propulsion system. Alongside the tanks (A), there is the nanoFLOWCELL? (B), which continuously sends electrical energy to the central storage unit.

nanoFLOWCELL即為電擊反應發生的位置,此處產生的電能直接輸出到中心儲能單元

C SUPERCAP 超級電容

This energy storage unit is made up of two large high-performance 「supercap」 capacitors.

These capacitors are lossless electrical energy storage devices that can release energy very rapidly; an important criterion for a sports car』s driving performance.

能量儲存單元由兩個大型高效超級電容器構成,實現高效、快速的電能存儲和釋放,而這一點對於一輛跑車的駕駛性能而言尤為重要

D ANTRIEBSMOTOREN

Four identical, asynchronous three-phase drive motors (D) propel the QUANT e-Sportlimousine. They are designed to produce 680 kW (925 PS) each, though this peak is not achieved during driving. The overall performance of the powertrain is limited to a maximum of 480 kW (653 PS). In addition, there is a state-of-the-art central ECU (electronic control unit) responsible for controlling the driving- and charging-currents throughout the entire powertrain.

四台獨立的三相異步電機構成車輛的動力系統,理論峰功率達680千瓦(925馬力),實際功率被限制於480千瓦(653馬力)

以及官方的電池性能對照表格:

註:原文中specific energy 的單位是W/kg,我改成了為Wh/kg,如果是能量密度的話,單位怎麼能跟功率密度一樣呢……

值得注意的是,雖然表格上看起來電池的性能十分出眾,儼然已經甩燃料電池n條街的樣子,但在電池結構中我們應當注意到supercab——超級電容器的存在。正如前文所說,超級電容器的特點就在於提供強大的瞬時電壓、電流,提供極高的輸出功率,而nanoFLOWCELL通過引入超級電容的方式換取6000W/kg的功率密度,再將這一數據與普通的鉛酸、鋰離子、燃料電池相比較,有非常大的「作弊」嫌疑。畢竟,上述任何一種電池整合上超級電容蓄能,都可以換取短時間的高功率。

相較於目前研究較多的全釩(V)液流電池15~25Wh/kg的比能量密度,nanoFLOWCELL確實非常高。如果這個數據是真實可信的,那麼他們的「高濃度」電解液確實非常有效得解決了液流電池在能量密度方面的短板,顯示到實際應用中就是電動車的出色續航表現。

其他方面,官網表述中似乎他們的電動車選擇了「換電池」而不是直接充電的方式。

Once the reserve is used up, both tank contents need to be replaced.

Furthermore, recharging them does not take hours and hours. All that is required to recharge them is to exchange spent electrolytes (which can be recharged outside the vehicle) for new, charged fluid.

雖然換下來的「電池」肯定是可以再充電的,但是不禁很好奇這200L的電池倉要怎麼更換……

另外官網上有這麼一段表述:

Until now, the laws of physics have closed the door on any efforts to create a simple storage method for electricity. Electricity cannot be stored, only converted to other forms of energy. 到目前為止,物理定律已經宣告了所有試圖找到一種簡便的方法來直接儲存電能的努力的失敗。電能不能直接儲存而只能轉換為其他形式的能量儲存

這…… 難道他們裝的超級電容器不是在直接儲存電能麼?我物理學的少你們不要騙我……

總的來說,nanoFLOWCELL比Tesla帶來了更新的技術,算是電池技術的一次小革新,卻遠遠達不到「突破」或者「革命」的高度。用在車輛上的動力電源,我依然希望能看到最終大規模商用的燃料電池,或者類似超級電容器這樣原理上創新的新型電源的出現。nanoFLOWCELL的核心功績讓要記於技術整合與普及,更重要的,它除了用於電動車輛,其他官方希望的應用領域恐怕非常難以真正施展拳腳。

【jinseng的回答(0票)】:

對這個東西沒有太多瞭解。

不過,按我的理解,一直以來,人類都在孜孜不倦的尋找除礦物燃料以外的能量載體,生物燃料、蓄能電池、超級電容、氫燃料都很早就出現大眾的視野當中。而這個液流電池,據報道說,早在上世紀70年代就由NASA發明,到現在連專利都過期了,也沒有出現在大眾的視野當中。可想而知,這個液流電池一定存在某種致命的缺陷。40年後的今天,這種液流電池能實現商用,估計是解決了這種致命的缺陷。但是,由於目前沒有更多的信息,性能指標之類的都有待證實,批准路試也並不能說明什麼,因此我對此持謹慎懷疑態度。

另外,從報道來看,這玩意兒還是要充電的,只不過充電速度較快而已。與氫燃料相比,並沒有顯示出更強大的優勢來。氫燃料的商用化已經進行了十幾年的時間,各方面的技術已經趨於成熟,很快就會進入上市推廣期。換句話說,我認為氫燃料已經成熟,具備了大規模商用的條件,唯一的劣勢可能就是昂貴的成本了。因此,我更看好氫燃料電池,Tesla不過是個中轉站而已。

【金賽爾的回答(0票)】:

電化學液流電池(electrochemical flow cell)一般稱為氧化還原液流電池(flow redox cell或者redox flow cell)是一種新型的大型電化學儲能裝置,正負極全使用釩鹽溶液的稱為全釩液流電池,簡稱釩電池.其荷電狀態 100%時電池的開路電壓可達 1.5V

標籤:-電池 -電池技術 -電動汽車 -新能源汽車


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