在日本政府能源与环境会议于2012年9月14日通过的《革新性能源环境战略》中,关于为了大量采用可再生能源而应进行“研究开发及实证”的技术,提到了“高密度蓄电池”。目前,蓄电池能量高密度化出现了如下动向。
如名称所示,蓄电池是一种可储存电能,并在需要时进行释放的装置。释放电能后不能再次充电的称为一次电池,可在充电后再次储存电能的称为二次电池。一次电池包括锰电池及碱性电池等干电池等。二次电池被用于手机及数码相机的电源,以及汽车上的电池。近年来在电力领域中,以下列举的蓄电池应用方法开始受到关注。
(1)系统稳定化对策 当可再生能源普及时,如果将太阳能发电及风力发电这类输出功率不稳定的发电机直接并网,其输出功率变动会导致整个供电网的频率及电压难以保持稳定。因此,就要通过蓄电池暂时吸收太阳能发电及风力发电的输出功率变动,对流向输电线的电力变动进行调整,以便进行并网。
(2)错峰 在电力用户处设置蓄电池,利用需求较少的夜间预先进行充电。然后在白天电力供需紧张时,不是利用电力公司供给的电力,而是利用蓄电池释放的电力来驱动设备。由此,便可错开供给电力的使用高峰。可设置在家庭内的定置式蓄电池的开发,以及对纯电动汽车电池的利用等正在取得进展。
如上所述,电力领域对利用蓄电池寄予厚望,有关方面正在开发降低制造成本及设置成本的技术。为降低设置成本,能量的高密度化十分有效,相关研发正在进行。
蓄电池的能量密度可以用重量能量密度(平均每公斤可储存的电量,单位为Wh/kg)以及体积能量密度(平均每升可储存的电量,单位为Wh/dm3、Wh/L)来表示。如果这些数值比较大,就意味着可在小型蓄电池内储存较多的电力。特别是在汽车及飞机上配备的蓄电池,以及家用定置式蓄电池上,这是一个重要的性能。
有报告称,与二次电池中具有代表性的铅蓄电池相比,1990年前后开始投入实用的锂离子电池的能量密度是前者数倍,根据产品有时甚至达到5倍以上。锂离子电池的正极采用锂金属氧化物,负极采用石墨等碳类材料,充电时锂离子从正极向负极移动,放电时则从负极向正极移动。提高锂离子能量密度的措施,是在正负极材料以及结构上下工夫。如果负极材料不采用碳,而是采用硅,便可储存约10倍的锂,但也存在缺点,即充放电时锂离子的进出会导致硅材料发生膨张及缩小,结构不稳定。为了克服这一缺点,有关方面正在研究纳米线结构等。另外,目前已成为充电电池主流的锂离子电池在充电时电压上升的化学反应太强烈,如果过度充电,则有发热及着火等危险,因此,还需要有高精度控制充电电压的技术。
关于蓄电池的开发,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)已制定了“二次电池技术开发蓝图”,据称在2030年以后,性能远超锂离子电池的“金属-空气电池”等“革新性二次电池”将实现实用化。 |