目前,世界各國(guó)都設(shè)定了在未來幾十年內(nèi)達(dá)到零碳排放的目標(biāo)。然而,可再生能源資源往往不穩(wěn)定,太陽照射的時(shí)間不固定,風(fēng)速也并不總是在需要時(shí)增強(qiáng)。隨著可再生能源的快速增長(zhǎng),一個(gè)基本問題隨之而來:如何將這些能源存儲(chǔ)以便日常使用?
最近,麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種混凝土電池儲(chǔ)能系統(tǒng),這種系統(tǒng)由三種簡(jiǎn)單的成分構(gòu)成:炭黑、水和水泥。聽起來像科幻小說,但該團(tuán)隊(duì)正在實(shí)現(xiàn)捕獲屋頂太陽能并將其儲(chǔ)存在混凝土建筑基礎(chǔ)中,以便隨時(shí)使用。
可再生能源的波動(dòng)與鋰資源的枯竭
風(fēng)電場(chǎng)的安裝正在快速增長(zhǎng),擴(kuò)展到海洋上的浮動(dòng)設(shè)施和高海拔地區(qū),以捕捉高速風(fēng)流。隨著政府補(bǔ)貼激勵(lì)對(duì)無碳能源的轉(zhuǎn)型,太陽能也在不斷擴(kuò)大其應(yīng)用。然而,當(dāng)風(fēng)能和太陽能資源波動(dòng)時(shí),它們可能對(duì)依賴這些資源的能源系統(tǒng)造成危險(xiǎn)挑戰(zhàn)。
在2021年,歐洲經(jīng)歷了自1979年以來最弱的風(fēng)力,這種可再生能源資源的突然下降使電價(jià)飆升至前所未有的水平。2019年,英國(guó)遭遇了大規(guī)模停電,影響超過一百萬用戶,當(dāng)時(shí)霍恩西1號(hào)海上風(fēng)電設(shè)施出現(xiàn)了一系列故障和問題。在2021年臭名昭著的德克薩斯冬季風(fēng)暴停電事件之后,許多人簡(jiǎn)單聲稱風(fēng)力渦輪機(jī)“凍結(jié)”,而沒有考慮到多個(gè)變量,包括德克薩斯人急需供暖時(shí)風(fēng)速顯著降低。
這些例子表明,需要有效存儲(chǔ)可再生能源以供日后使用。存儲(chǔ)可再生能源的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是鋰離子電池(Li-ion)。然而,鋰礦開采和其他電池材料的獲取面臨諸多挑戰(zhàn)。
電池容量隨需求不斷增加即將出現(xiàn)的鋰短缺預(yù)計(jì)將對(duì)鋰離子電池的生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響,而這種電池對(duì)電動(dòng)汽車和可再生能源儲(chǔ)存至關(guān)重要。全球?qū)︿嚨男枨蟪^供應(yīng),價(jià)格在過去一年中飆升超過400%。在智利和塞爾維亞等主要鋰生產(chǎn)國(guó),環(huán)境問題和監(jiān)管挑戰(zhàn)進(jìn)一步加劇了這一問題,可能導(dǎo)致長(zhǎng)期供給短缺和電池生產(chǎn)成本上升。未來的道路必須包括鋰離子電池的替代方案。
混凝土超級(jí)電容器的解決方案
麻省理工學(xué)院研究人員開創(chuàng)的混凝土電池系統(tǒng)是另一種電池替代品的潛在候選者。它可以緩解鋰市場(chǎng)的壓力,并有助于支持更大規(guī)模的可再生能源高效存儲(chǔ)項(xiàng)目。
這種電池的三種基本成分——水泥、炭黑和水——都便宜且廣泛可得,從而避免了跟上全球鋰需求的壓力。
這款電池是一種超級(jí)電容器,是一種能夠存儲(chǔ)大量電荷的增強(qiáng)型電容器。電容器是由兩個(gè)導(dǎo)電板和一個(gè)電解質(zhì)及膜分隔而成的基本設(shè)備。施加電壓會(huì)使離子在兩塊相對(duì)的板上積聚,形成電場(chǎng)并存儲(chǔ)電荷。當(dāng)需要時(shí),這些電荷可以迅速釋放。電容器的儲(chǔ)能能力取決于其板的表面積。
超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的超級(jí)電容器采用高內(nèi)表面積的水泥基材料。他們通過將炭黑與水泥和水混合,形成一種致密的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),完成了這種材料的制備。這種結(jié)構(gòu)類似于分形,提供了緊湊體積中的廣泛表面積。將這種材料浸泡在如氯化鉀的電解質(zhì)中,使其能夠高效存儲(chǔ)和釋放大量電荷,從而成為一種強(qiáng)大的超級(jí)電容器。
該混凝土電池系統(tǒng)可以為一個(gè)10瓦的LED燈供電約30小時(shí)。雖然這個(gè)儲(chǔ)能能力似乎遠(yuǎn)低于鋰離子電池,但這并未考慮到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中使用的大量混凝土。一座基礎(chǔ)在1060到1410立方英尺之間的建筑可以儲(chǔ)存足夠的能量來供電住宅。
在工程師們對(duì)鋰離子電池進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)的同時(shí),完全不同的電池系統(tǒng),如這種混凝土超級(jí)電容器的替代方案也是可以設(shè)想的。可再生能源資源的指數(shù)增長(zhǎng)要求能源儲(chǔ)存領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新,麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)正在重新構(gòu)想未來的電池儲(chǔ)存可能性。
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