液流电池、纳米电燃料、3D打印电池,谁将定义下一代电池?

根据3D科学谷,3D打印电池技术发展至今,不仅在“大局”上有不同之处,在最小的微米和纳米级别上也有所不同。在纳米级别,3D打印技术对电池电极的结构产生了很大影响,这就是能量密度增加的原因。长期以来,“多孔”电极可以提高能量密度,而增材制造非常适合该工艺,这意味着电极中的材料可以构建成三维点阵晶格结构。

3D打印电池离产业化还有一段距离,这条赛道上涌现的是百花齐放的不同技术,本期,3D科学谷与谷友共同了解下一代电池,谁主沉浮?

Influit Energy纳米电燃料
© Influit Energy

block 液流电池

根据新华商学,早在2021年,国家发改委和能源局发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》文件就特别提到,要坚持储能技术多元化,实现压缩空气、液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期。

液流电池一直都是长时储能的“后备军”,有了政策的加持,液流电池的发展按下加速键,逐渐来到了“台前”。

液流电池是一种利用两种或多种溶解在液体中的活性物质,在离子膜两侧进行氧化还原反应来储存和释放能量的装置。前期碍于产业化困难,液流电池长期停留在实验室当中。

但在2022年,液流电池产业化取得突破性进展,兆瓦级产品量产交付,首个吉瓦时级别项目集采开标,大连液流电池储能调峰电站一期成功并网等诸多事件,业界看到了发展的曙光。

相比起磷酸铁锂等新型电池,液流电池其活性物质是单独储存在外部储罐中的液体电解质,输出功率和储能容量相互独立,可拓展性能良好,能够解决锂电池储能两者不可兼得的问题。

flow battery

根据新华商学,2023年,液流电池将迎来元年,背后的商业逻辑来自于两点。

一是磷酸铁锂等锂电储能的安全性问题解决不了,但液流电池不存在这个“风险”;二是液流电池吃的是“长时储能”的红利。

据称,随着风光新能源并网装机占比达到31.7%,对调峰能力更强的3-10小时以上长时储能的需求变得更为强烈,2小时时长的锂电储能已经“力竭”,难以满足4小时以上高峰时段的削峰填谷。于是,商业化程度最高的全钒液流电池恰恰能堪大任,在支撑电网稳定运行中发挥关键作用。

block 纳米电燃料

根据“较高端科普”公众号,2022年8月5日,Influit Energy联合创始人兼首席执行官John Katsoudas对外宣布:“我们创造了一种基于复合材料的新型液态电池,这种电池是一种纳米流体,其中的纳米颗粒是电池活性材料,我们称之为纳米电燃料(Nanoelectrofuel,NEF)。NEF使电车像燃油车一样,通过在电池换液站补液或换液,瞬时补足电量,解决续航焦虑!我们将所有的技术都融合在一起,创造出了世界上第一种可充电、安全的电动燃料,而且这种燃料稳定、安全、可循环、零排放以及可定制。”

NEF的设计采用了Nanoelectrofuel—一种独特的液体,其中微小的电池活性颗粒可永久悬浮,可在定制的液流电池中多次充电和放电。纳米电燃料电池的运行容量比传统液流电池大得多,它还具有许多其他优势,其中包括热安全性、成本更低、效率更高、灵活性和适应性。高能量密度纳米电燃料的使用为跨学科的科学探索提供了广袤的空间,并有望彻底改变储能现状。

block 3D打印电池

根据3D科学谷,传统的电池制造具有显着的局限性:能源使用和碳排放、工厂占地面积大、材料浪费和效率低下、供应链依赖性、无法定制电池形状和尺寸、模具成本高、扩张受限。

3D科学谷了解到通过本地化的超级工厂和规避常见供应链问题的生产模式,可持续地、经济高效地大批量生产电池,并具有更大的供应链弹性。通过这种新颖的增材制造工艺生产电池,电池可以在国内大规模生产,以快速供应面临需求激增的行业,例如电动汽车制造商。

电池的 3D 打印是一个令人兴奋的领域,具有很大的潜力,特别是在将废旧材料回收到新能源设备方面。鉴于对电动汽车、电脑、手机等的高需求,利用旧电池的材料进行3D 打印新电池的能力对于维持目前的材料供应可能至关重要。凭借增加的能量密度和紧凑、定制尺寸和形状的额外好处,3D打印电池可能会改变人类生产储能产品的方式。

这其中,Sakuu 一直致力于通过3D打印制造最佳固态电池,用于电动汽车和其他应用。Sakuu的WO2019152531A1专利针对单片陶瓷电化学电池外壳,其中包含阳极和阴极接收空间,以及两者之间的隔板。这能够带来更高的充电率,而不会引发锂电池的安全风险。这是对先前于2020年获得的两项电池专利,集成电池堆电池和单片固态电池的补充。这些结构共同提高了固态电池的能量密度,同时不会影响稳定性和寿命。

sakuu_battery© Sakuu

除了800Wh/L基准外,目前测试的Sakuu第一代锂金属电池在200次循环后还表现出 97% 的高能量保持率。电池在保持无枝晶的同时,预计在循环完成后在800次循环中记录80% 的保留率。

同时,Sakuu正在努力使其增材制造 (AM) 系统能够大规模生产这些电池。这家初创公司声称,其 SSB 可以比目前可用的锂离子电池小 50%,轻 30%。不仅如此,Sakuu 还认为他们可以以更低的成本进行批量生产,同时由于3D打印技术在成形方面的自由度,带来了定制形状和尺寸等好处。

Sakuu预计其第二代全3D打印SSB的能量密度将再次大幅飞跃,样品电池交付将于 2023 年初开始。世界上第一款由Sakuu 的 Kavian™ 平台诞生的 3D 打印电池将提供快速、大规模的交付能力,在超级工厂环境中批量生产电池,支持大规模、低成本3D打印电池制造。

Sakuu希望成为人类重塑可持续能源生产的一部分。Sakuu的使命是建立一个由变革性产品驱动的品牌,这些变革性产品可以为社会和环境变化留下有影响力的遗产。

更好的能量密度、可持续发展、热安全性、成本更低、效率更高、灵活性和适应性,液流电池、纳米电燃料、3D打印电池,谁将定义下一代电池?让我们拭目以待!

参考资料:

1. 液流电池:储能赛道的下一个宁德时代?/新华商学

2.突破!解决电车安全性和续航问题!电车也能像加油一样加液态纳米燃料电池!

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