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如何用金屬和鹽儲(chǔ)存電力。

電池！它們不是氣候和能源危機(jī)的唯一解決方案，但它們肯定會(huì)發(fā)揮重要作用。除了抽水電外，他們可能會(huì)在未來十年提供公司可再生能源所需的大部分能源存儲(chǔ)。而且它們?cè)絹碓奖阋?，越來越有效?/p>

在新能源風(fēng)口的大背景下，似乎幾乎每周都會(huì)宣布一種新型電池——在過去的12個(gè)月里，它涵蓋了量子電池、紙電池、纖維素電池和石墨烯電池。

因此，現(xiàn)在是普及基礎(chǔ)知識(shí)的好時(shí)機(jī)：電池是如何工作的，它們?cè)陔娋W(wǎng)中扮演什么角色？

電池是如何工作的？

簡(jiǎn)短的答案是，電池會(huì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，釋放能量。能量以電的形式釋放，將電池連接到電路可以發(fā)生反應(yīng)。

要理解稍長(zhǎng)的答案，值得看看原子的結(jié)構(gòu)。原子有一個(gè)原子核，由帶正電荷的質(zhì)子和無電荷中子組成，周圍環(huán)繞著帶負(fù)電荷的電子云。

電子可以很容易地從一個(gè)原子移動(dòng)到另一個(gè)原子。如果你能以一致的流動(dòng)方式移動(dòng)電子，你就可以使用電力來創(chuàng)造熱量、光和各種其他有用的東西。

電池有一種物質(zhì)或試劑，提供電子（稱為陽(yáng)極），另一種接受電子的試劑（稱為陰極）。電子通過你試圖供電的設(shè)備中的電路在試劑之間發(fā)送，讓電力流動(dòng)。

為了使這種反應(yīng)起作用，帶正電荷的東西還必須從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極，以平衡帶負(fù)電荷的電子。電子少于質(zhì)子的原子——稱為正離子或陽(yáng)離子——可以完成這項(xiàng)工作。

正離子不會(huì)通過電路移動(dòng)，而是通過連接陽(yáng)極和陰極的單獨(dú)橋。這是電解質(zhì)——它可以是液體溶液，也可以是固體。

整個(gè)過程被稱為電化學(xué)電池。電池只能使用一個(gè)電池，也可以有幾個(gè)電化學(xué)電池相互連接。

大多數(shù)商用電池實(shí)際上依賴于化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)比簡(jiǎn)單地分流電子和一種正離子（包括鋰離子）更復(fù)雜?？赡苌婕皫追N不同類型的金屬、鹽和其他反應(yīng)物。

但是，電池最終都需要陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)。

不可充電和可充電電池有什么區(qū)別？

它是由什么組成的。在不可充電的電池中，產(chǎn)生電子的反應(yīng)只能以一種方式工作：一旦陰極中的物質(zhì)接受了電子，它就無法恢復(fù)到以前的無電子自我。

在可充電電池中，可以扭轉(zhuǎn)這種反應(yīng)。外部電源可以從陰極中取出電子并將其添加到陽(yáng)極中，使它們保持新鮮，并準(zhǔn)備再次反應(yīng)。

構(gòu)成陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)的物質(zhì)將決定反應(yīng)是否可逆。

為什么可充電電池會(huì)耗盡？

因?yàn)殡姵刂杏幸欢巡煌奈镔|(zhì)相互反應(yīng)，使這些電子流動(dòng)，所以有幾件事出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。

化學(xué)反應(yīng)很少能完全制造你想要的產(chǎn)品——通常有少量的副產(chǎn)品。

澳大利亞國(guó)立大學(xué)電池存儲(chǔ)和電網(wǎng)集成項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Lachlan Blackhall教授表示：“當(dāng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，有時(shí)當(dāng)你給它充電時(shí)，它不會(huì)完全逆轉(zhuǎn)。這可能會(huì)導(dǎo)致樹突生長(zhǎng)之類的東西——這是一種微小的晶體生長(zhǎng)?！?/p>

“隨著時(shí)間的推移，這有效地降低了該化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)以可逆的方式發(fā)生的能力?！?/p>

研究人員和制造商越來越擅長(zhǎng)尋找具有干凈可逆反應(yīng)的電池化學(xué)成分，這些反應(yīng)隨著時(shí)間的推移幾乎不會(huì)耗盡。

例如，特斯拉在南澳大利亞州霍恩斯代爾電力儲(chǔ)備的電池保修期為15年，但運(yùn)營(yíng)商N(yùn)eoen相信，這些電池目前仍將保留大部分容量，并且將能夠根據(jù)市場(chǎng)條件和其他因素在電池之外運(yùn)行。

手機(jī)電池和電網(wǎng)電池有什么區(qū)別？

“在許多情況下，它們實(shí)際上是相同的化學(xué)反應(yīng)?！?/p>

“一個(gè)網(wǎng)格規(guī)模的電池，它只有數(shù)百或數(shù)千個(gè)小鋰離子電池，在電池模塊中進(jìn)行包裝和管理。”

大電池不是奇異的電化學(xué)電池。它們實(shí)際上是一系列較小的單元，排在一個(gè)地方。

也就是說，這并不能保證你的手機(jī)與電網(wǎng)電池相同。電池的要求都說明了它可能由什么構(gòu)成。例如，重量是汽車電池中絕對(duì)關(guān)鍵的功能，但它與家用靜電電池不太相關(guān)。在那里，你也許可以使用更便宜但更重的材料。

這提出了另一個(gè)問題：

為什么電池需要鋰？

鋰離子電池會(huì)永遠(yuǎn)是金本位嗎？我們可以用更便宜的物質(zhì)制作它們嗎？

鋰作為“電池女王”備受推崇的原因在于它的基本化學(xué)成分。作為最輕的金屬，只有三個(gè)質(zhì)子，鋰基本上可以保證是制造電池能量最強(qiáng)的方式。

但電網(wǎng)電池和家庭電池可能比汽車或手機(jī)電池更大、更重。例如，鈉對(duì)鋰具有經(jīng)濟(jì)可行性。

流動(dòng)電池也開始被采用為大電池。流動(dòng)電池的運(yùn)行結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電池截然不同——它們可能永遠(yuǎn)不會(huì)耗盡，并且在沒有鋰的情況下可以非常高效地工作。Vanadium是這里特別受歡迎的候選者。

在規(guī)模的另一端，小型電子產(chǎn)品不一定需要強(qiáng)大的電池。在這里，我們可以在化學(xué)方面更具創(chuàng)造性——例如，使用紙張和碳基聚合物等可生物降解材料。

它們?nèi)绾卧诰W(wǎng)格中工作？

抽水是一種比電池更便宜的能源儲(chǔ)存方式。但電池有一個(gè)功能，在能源轉(zhuǎn)換中具有關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：它們幾乎可以立即向電網(wǎng)供電。

“化學(xué)反應(yīng)可以發(fā)生得足夠快，你可以非常快地從中吸取電流?！?/p>

“輸出幾乎可以是瞬間的?！?/p>

即使是最快形式的化石燃料發(fā)電機(jī)也無法與之匹敵——例如用于峰值能源的燃?xì)獍l(fā)電廠。

“煤氣峰值，從無輸出到輸出電力可能需要15分鐘，只是因?yàn)槟惚仨殞u輪機(jī)向上旋轉(zhuǎn)?！?/p>

目前，電網(wǎng)的設(shè)計(jì)是為了適應(yīng)這種時(shí)間。但隨著我們進(jìn)一步過渡能源系統(tǒng)，我們可能會(huì)變得更加靈活。

“由于你可以如此快速地控制電池，一旦我們完全關(guān)閉所有同步發(fā)電機(jī)，我們甚至可能會(huì)為我們的電力系統(tǒng)提供新的操作范式?！?/p>

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