电池可用于储存间歇性能源,并在需要时再次释放能量。锂、铅、镍和钠这四种技术都能够为电网运营商提供重要功能,并具有进一步经济和技术发展的潜力。铅基电池已在工业应用中使用了数百年,并且在电网运营商和最终用户的电网应用中已得到广泛认可。由于成本低廉,这种电池几乎用于所有需要电池的小型光伏装置。对于大型可再生能源存储装置,钠电池或锂离子电池的使用更为普遍,因为它们的比能量和功率较低,通常循环寿命较短,充电时间较长。镍基电池用于特殊情况,即在极端气候、快速充电条件或长周期内储存能量。[7] 电池最适合储存几个小时的能量,储存容量为 5kWh -10 MWh。[2]
- 地面能源达到6.0的COP;典型的空气源系统的两倍(更大的COP会导致高效且可持续的能源解决方案,降低运营成本和碳排放 - Hiperpile比传统的固体热量堆积效率高80%,比能量井眼更高的峰值载荷能力比地面循环提供了更大的能量环境,并且可以在较大的电流中,可以在较大的流动性网络中进行热能型,并且可以在较大的情况下进行热能构成,从而在较大的情况下进行热度,从而可以在较大的范围大型热热商店 - 热能堆为开发人员的净可让可观空间增加提供了潜力 - 与地面源钻孔相比,hiperpile降低了施工程序 - 在堆积后安装了循环,大大降低了随访期间的损害风险 - 设计寿命最高50年 - 在绩效上提供了
摘要:过渡型三金属硫化物NiCoMn-S因在混合超级电容器中的高比容量而备受关注,而Ti3C2则因具有标志性的二维层状结构和优异的导电性而被视为一种潜在的新型电极材料。本文通过简单的一步水热法将NiCoMn-S纳米颗粒与二维层状Ti3C2复合,首次将其应用于混合超级电容器(HSC)的正极。大量的NiCoMn-S纳米颗粒分布在Ti3C2表面,为氧化还原反应提供了丰富的电化学活性位点。此外,Ti3C2的二维层状结构为离子传输提供了额外的电子通道,并降低了储能过程中的电荷转移阻力。 NiCoMn-S/Ti3C2-3.4%在1 A g-1密度下实现了347.1 C g-1的比容量,比纯NiCoMn-S(1 A g-1时270.2 C g-1)高28%。最后以NiCoMn-S/Ti3C2-3.4%为正极,RGO为负极组装成混合超级电容器(HSC),在1 A g-1密度下实现了164.3 C g-1的比容量,在15 kW kg-1的比功率下实现了16.2 Wh kg-1的高比能量。
摘要。这篇科学文章深入回顾了可再生能源的最新进展,探讨了它们在应对全球能源挑战方面的重要性。本文涵盖了各种类型的可再生能源,包括太阳能、风能、水电、地热能和生物质能,强调技术发展、效率改进和环境考虑。此外,本文还讨论了全球可再生能源采用的现状及其对减少碳排放的潜在影响。该分析整合了最近的研究和研究论文的结果,全面概述了可再生能源技术的当前格局。1. 简介 21 世纪人们越来越认识到传统能源的局限性和环境影响。化石燃料的开采、燃烧和利用不仅对全球变暖产生了重大影响,而且还导致了地缘政治紧张和资源枯竭 [1, 2]。在这种背景下,可再生能源已成为一种有前途的替代品,利用自然元素取之不尽的力量来满足世界日益增长的能源需求。受环保要求和能源安全需求的推动,全球各国政府、行业和研究机构加大了探索和提升可再生能源技术潜力的力度。对可持续能源解决方案的追求推动了太阳能 [3, 4]、风能 [5]、水电 [6-10]、地热 [11-13] 和生物质能 [14-20] 技术的发展。这些进步不仅有望带来更清洁的能源,还为各国带来了经济机会和能源独立性。可再生能源在全球和单个国家范围内的能源潜力是当前能源消耗水平的许多倍,因此可以将其视为一种可能的能源生产来源。众所周知,人类发展的先决条件表明,需要对已在管理的可再生能源进行广泛研究,这既是因为石油、天然气和煤炭产量不可避免地增加,成本也随之增加,也因为环境原因(二氧化碳排放和经济政策对环境的其他有害影响)。通常来说,可再生能源的使用不会对环境产生严重的负面影响;在大多数情况下,它们都是环保且广泛可用的能源。可再生能源的严重缺点限制了其广泛使用,包括能量流密度低、随时间变化大,因此需要大量成本来购买用于收集、积累和转换能源的设备 [21]。例如,晴天中午太阳辐射在地球表面的通量密度仅为 1 kW/m 2 左右,其年平均值为考虑到季节和天气波动,对于地球上阳光最充足的地区,热流密度不超过 250 W/m 2 [22]。风流的平均比能量密度通常也不超过几百 W/m 2 ,风速为 10 m/s 时,比能量密度约为 500 W/m 2 。速度为 1 m/s 的水流的能量密度也只有 500 W/m 2 左右。为了进行比较,我们指出,现代蒸汽锅炉炉壁上的热流密度达到几百 kW/m 2 。
高导电性的金属有机骨架 (MOF) 已被证明是一种令人兴奋的储能设备电极材料。然而,大多数 MOF 表现出低电导率,这限制了它们在超级电容器中的使用。为了解决这个问题,采用一种简单的酸处理方法获得纳米花状镍 2- 甲基咪唑骨架 (Ni-MOF),以在不破坏其骨架的情况下提高电导率。用最佳 pH 值为 2 的硫酸 (H 2 SO 4 ) 溶液处理的样品 (Ni-MOF-2) 表现出改善的表面纹理和优异的电化学特性。Ni-MOF-2 样品在 6 M 氢氧化钾 (KOH) 水性电解质中在 1 A/g 时显示出比其他样品高的 467 C/g 的比容量 (C s )。这主要是由于酸处理后 Ni-MOF-2 中的质子传导增强。此外,还使用电池型 Ni-MOF-2 作为正极,使用富含杂原子的活性炭 (O、N、S@AC) 作为负极,制造了混合超级电容器 (HSC) 装置。制造的 HSC 的最大比容量 (C s ) 为 38 mAh/g,比能量 (E s ) 高达 39 Wh/kg,最大比功率 (P s ) 为 11,079 W/kg。此外,HSC 在 10,000 次连续恒流充电/放电 (GCD) 循环中表现出约 87% 的出色循环稳定性。
几十年来。 [1] 目前商业化锂离子电池的能量密度受到层状结构正极材料(如 LiCoO 2 和 LiNixMnyCo1−x−yO2)的限制,由于材料晶格中 Li+ 主位点有限,只能提供小于 220 mAh g−1 的比容量。 [2] 此外,锂离子电池市场的快速扩张导致钴和镍价格飙升(2022 年钴金属价格高达 90 美元/千克)。因此,迫切需要探索高能量密度、低成本的无钴、无镍正极材料。转化型材料通常由 Fe、Cu、O 和 S 等价格较便宜且环境友好的元素组成,其容量比插层型电极材料高得多。 [3] 在各种转化化合物中,过渡金属氟化物(MF x )既提供> 2.0 V 的高氧化还原电位(由于金属氟化物键的高离子性),又提供大容量,因为每单位分子式允许多个电子转移,从而实现相当高的理论能量密度。[4] 转化正极面临的一个主要挑战是循环稳定性。优化的 Fe 基氟化物如 FeF 2 、FeF 3 、FeOF 和 Fe 0.9 Co 0.1 OF 可以稳定地充电/放电几百次循环。[5] 然而,Fe 基正极的能量密度仍然不够高。氟化铜(CuF 2 )比 Fe 基氟化物提供了更高的比能量密度(1874 Wh kg −1 ),因为它对 Li/Li + 的理论电位高达 3.55 V,理论容量为 528 mAh g −1 。[6]
氢是地球上数量最多、最简单的元素。它可以储存和释放可用能量。然而,氢并不单独存在于自然界中,必须由包含它的不同元素制成。例如,它可以与碳(如石油、天然气)和水中的氧(H 2 O)结合[1]。氢的每千克比能量是所有燃料中最高的(即 120-140 MJ/kg),但其能量密度不太适合储存(即 2.8-10 MJ/L),具体取决于物理储存方式(如压缩(350-700 bar)、液体)[2]。一方面,全球利用重整工艺从天然气、煤炭和石油中生产的氢气约占 96%。另一方面,利用水电解工艺将去离子水分解为氢气和氧气约占全球氢气产量的 4% [3]。尽管氢气本质上是一种清洁的能源,但它需要能量来生产;所采用的能源类型有所不同。由化石燃料生产的氢气由于间接污染而被称为灰氢。为了供应水电解过程,可再生能源 (RES)(例如风力涡轮机、光伏)是最适合的,因为它们可以限制对环境的影响。通过这种方式,可以获得所谓的绿色氢气。将这种氢气混合到现有的天然气管道网络中已被提议作为增加可再生能源系统产量的一种手段。通过管道输送氢气和甲烷混合物也有悠久的历史;最近,风电装机容量的快速增长以及对燃料电池电动汽车近期市场准备的关注,增加了利益相关者的兴趣 [ 4 , 5 ]。
硫化聚丙烯腈 (SPAN) 因其高容量、延长的循环寿命并且不含昂贵的过渡金属,最近成为高能锂 (Li) 金属电池的有前途的正极。由于锂金属和 SPAN 的高容量导致电极重量相对较小,因此 Li/SPAN 电池的重量和比能量密度对电解质重量特别敏感,凸显了最小化电解质密度的重要性。此外,锂金属阳极和 SPAN 阴极的大体积变化需要富含无机的界面相,以保证在长循环期间的完整性和保护性。这项工作通过电解质设计解决了这些关键方面,其中轻质二丁基醚 (DBE) 用作浓缩锂双(氟磺酰基)酰亚胺 (LiFSI)-三乙基磷酸 (TEP) 溶液的稀释剂。设计的电解质(d = 1.04 g mL − 1)比传统的局部高浓度电解质(LHCE)轻 40%–50%,从而在电池层面上带来 12%–20% 的额外能量密度。此外,DBE 的使用引入了显著的溶剂-稀释剂亲和力,从而产生了独特的溶剂化结构,增强了形成有利的阴离子衍生的富含无机物的界面相的能力,最大限度地减少了电解质消耗,并提高了电池的循环性能。该电解质还表现出低挥发性,并在热滥用下为锂金属负极和 SPAN 正极提供良好的保护。
当今,由于能源消费需求的增加,世界面临着环境污染和能源短缺的巨大问题。通过持续依赖传统化石燃料来满足能源需求已大大减少了能源来源(González et al.,2016)。通过适当利用地热能、风能、太阳能和海洋能等清洁和可再生能源,可以很好地解决这些问题,但需要可行的地理分布以及可靠、耐用、高效且具有成本效益的能源存储技术(Xu et al.,2019)。在这方面,电池被视为电源和储能系统的有前途的替代品。电池虽然具有良好的能量能力,但也存在一系列缺点,例如不可逆化学反应缓慢、比功率低、循环性能差、充放电倍率能力差(González et al.,2016;Muzaffiar et al.,2019;Yu and Feng,2019)。对于灵活、可穿戴的医疗保健和便携式电子设备,超级电容器已成为一种优越的替代品,与电池相比,相同体积下具有从一百到数千的增强能量存储能力(Lee et al.,2013;González et al.,2016)。虽然超级电容器的功率输出相对较低,但比传统电解电容器具有更高的比能量。超级电容器正在弥合电解电容器和电池的性能差距。超级电容器具有长时间充放电循环稳定性,可以承受数百万次循环,保持良好的库仑效率,性能不会下降太多(González et al.,2016;Cheng et al.,2018;Muzaffiar et al.,2019;Yu and Feng,2019)。
锂离子电池对社会产生了巨大影响,最近获得了诺贝尔化学奖 1、2。经过几十年的商业化,锂离子电池正迅速接近其能量密度的理论极限,从而推动了锂金属化学的复兴 3-6。然而,锂金属电池的推广应用受到其循环寿命较短的困扰 4、5。锂金属和电解质之间无法控制的副反应形成化学不稳定、机械易碎的固体电解质界面相 (SEI)。SEI 在循环过程中容易破裂,导致树枝状生长、“死锂”形成和不可逆的锂库存损失 4。电解质工程可以调整 SEI 结构和化学性质,使其成为实现锂金属负极的关键且实用的方法 7、8。对于一种有前景的电解质,必须同时满足几个关键要求 9 – 11 :(1)始终如一的高库仑效率(CE)以最大限度地减少锂的损失,包括在初始循环中,(2)在贫电解质和有限过量锂条件下的功能性以实现最大比能量,(3)对高压正极的氧化稳定性,(4)合理的低盐浓度以实现成本效益和(5)高沸点和不可燃性以确保安全性和可加工性。电解质工程方面的最新研究提高了锂金属电池的循环性,包括盐添加剂优化 12 、溶剂比例修改 13 、 14 和液化气电解质 15 。特别是,高浓度电解质 16、17 和局部高浓度电解质 11、18 – 22 被认为是最有效的方法。高浓度电解质成功减少了 Li + 溶剂化结构中的游离溶剂分子,从而形成了以无机为主的 SEI 和更好的锂循环性能。整个系列