電池是將化學(xué)反應產(chǎn)生的能量直接轉換為電能的一種裝作。具有穩定電壓，穩定電流，長(cháng)時(shí)間穩定供電，受外界影響很小，并且結構簡(jiǎn)單，攜帶方便，充放電操作簡(jiǎn)便易行，性能穩定可靠的特點(diǎn)，給現代社會(huì )生活帶來(lái)很多便利。

 

 

　　

燃料電池（Fuel Cell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來(lái)。它從外表上看有正負極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲電”而是一個(gè)“發(fā)電廠(chǎng)”。

　　

氫-氧燃料電池反應原理，是電解水的逆過(guò)程。

 

 

電極應為：

　　

負極：H2 +2OH-→2H2O+2e-

正極：1/2O2+ H2O 2e-→2OH-

電池反應：H2+ 1/2O2==H2O

　　

燃料電池涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統及自動(dòng)控制等學(xué)科的有關(guān)理論，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的輔助系統，包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等。

 

燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉化為電能，沒(méi)有像通常的火力發(fā)電機那樣通過(guò)鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化，避免中間轉換的能量損失，因而能量轉換效率比較高?；鹆Πl(fā)電和核電的效率大約在30%～40%，而燃料電池電能轉換效率能達到45%～60%。另外，燃料電池電站占地面積小，建設周期短，電站功率可根據需要由電池堆組裝，安裝地點(diǎn)靈活，十分方便。燃料電池無(wú)論作為集中電站還是分布式電站，或是作為小區、工廠(chǎng)、大型建筑的獨立電站都非常合適。負荷響應快，運行質(zhì)量高；燃料電池在數秒鐘內就可以從最低功率變換到額定功率。

 

 

　　

石墨烯電池，是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間能快速大量穿梭運動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出的一種新能源電池。

　　

石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。隨著(zhù)批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應用步伐正在加快，基于目前已有的研究成果，最先實(shí)現商業(yè)化應用的領(lǐng)域可能會(huì )是移動(dòng)設備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。

 

 

應用石墨烯材料制成的新型電池，尺寸和重量均將變小，而且能量?jì)Υ婷芏鹊玫胶艽筇岣?。更重要的是，它大大縮短了充電時(shí)間，方便了消費者。美國俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數小時(shí)的充電時(shí)間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認為，未來(lái)一分鐘快充石墨烯電池實(shí)現產(chǎn)業(yè)化后，將帶來(lái)電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的革新。

　　

新型石墨烯電池實(shí)驗階段的成功，無(wú)疑將成為電池產(chǎn)業(yè)的一個(gè)新的發(fā)展點(diǎn)。電池技術(shù)是電動(dòng)汽車(chē)大力推廣和發(fā)展的最大門(mén)檻，而目前的電池產(chǎn)業(yè)正處于鉛酸電池和傳統鋰電池發(fā)展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲能設備的研制成功后，若能批量生產(chǎn)，則將為電池產(chǎn)業(yè)乃至電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)新的變革。

　　

正是看到了石墨烯的應用前景，許多國家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應用專(zhuān)利。歐盟委員會(huì )將石墨烯作為"未來(lái)新興旗艦技術(shù)項目"，設立專(zhuān)項研發(fā)計劃，未來(lái)10年內撥出10億歐元經(jīng)費。英國政府也投資建立國家石墨烯研究所（NGI），力圖使這種材料在未來(lái)幾十年里可以從實(shí)驗室進(jìn)入生產(chǎn)線(xiàn)和市場(chǎng)。

　　

中國在石墨烯研究上也具有獨特的優(yōu)勢，從生產(chǎn)角度看，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國儲能豐富，價(jià)格低廉。另外，批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規模商用的最主要因素。利用化學(xué)氣相沉積法成功制造出了國內首片15英寸的單層石墨烯，并成功地將石墨烯透明電極應用于電阻觸摸屏上，制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。

 

　　

鈉硫電池，是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池。在一定的工作度下，鈉離子透過(guò)電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應，形成能量的釋放和儲存。

　　

一般常規二次電池如鉛酸電池、鎘鎳電池等都是由固體電極和液體電解質(zhì)構成，而鈉硫電池則與之相反，它是由熔融液態(tài)電極和固體電解質(zhì)組成的，構成其負極的活性物質(zhì)是熔融金屬鈉，正極的活性物質(zhì)是硫和多硫化鈉熔鹽，由于硫是絕緣體，所以硫一般是填充在導電的多孔的炭或石墨氈里，固體電解質(zhì)兼隔膜的是一種專(zhuān)門(mén)傳導鈉離子被稱(chēng)為Al2O3的陶瓷材料，外殼則一般用不銹鋼等金屬材料。

　　

鈉硫電池能量密度和轉換效率高，是一種能夠同時(shí)適用于功率型儲能和能量型儲能的蓄電池，自2003年起，日本和美國相繼建設了多個(gè)兆瓦級的鈉硫電池儲能電站。不過(guò)鈉硫電池的制造比較困難，對電池材料、電池結構要求高，因此制造成本較高。鈉硫電池在使用時(shí)對運行條件的要求苛刻，必須維持在300～350℃，需要附加供熱設備來(lái)維持溫度。另外，電池運行的控制也比較困難，例如在線(xiàn)測量充放電狀態(tài)不能做到很準確，必須周期性地進(jìn)行離線(xiàn)度量；安全性相對也稍差。由于鈉硫電池產(chǎn)品的制造比較困難，目前只有少量的鈉硫電池產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化。前幾年，上海市電力公司與中科院上海硅酸鹽研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)出大容量鈉硫電池，其關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵工藝已取得重大突破，但是關(guān)鍵裝備和工業(yè)化生產(chǎn)仍存在巨大差距，國內鈉硫電池儲能技術(shù)和應用在短期內還很難取得突破。

　　

鈉硫電池具有許多特色之處：一個(gè)是比能量(即電池單位質(zhì)量或單位體積所具有的有效電能量)高，其理論比能量為760Wh/Kg。另一個(gè)是可大電流、高功率放電。其放電電流密度一般可達200-300mA/cm2，并瞬時(shí)間可放出其3倍的固有能量；再一個(gè)是充放電效率高。由于采用固體電解質(zhì)，所以沒(méi)有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的那種自放電及副反應，充放電電流效率幾乎100%。當然，事物總是一分為二的，鈉硫電池也有不足之處，其工作溫度在300-350℃，所以，電池工作時(shí)需要一定的加熱保溫。但采用高性能的真空絕熱保溫技術(shù)，可有效地解決這一問(wèn)題。

 

　　

鋰空氣電池是一種用鋰作陽(yáng)極，以空氣中的氧氣作為陰極反應物的電池。

　　

放電過(guò)程:陽(yáng)極的鋰釋放電子后成為鋰陽(yáng)離子(Li+)，Li+穿過(guò)電解質(zhì)材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過(guò)來(lái)的電子結合生成氧化鋰(Li2O)或者過(guò)氧化鋰(Li2O2)，并留在陰極。鋰空氣電池的開(kāi)路電壓為2.91 V。

 

 

新型鋰空氣電池在空氣中以0.1A/g的放電率進(jìn)行放電時(shí)，放電能約為9000mAh/g。以前的鋰空氣電池的放電能僅為700～3000mAh/g，可以說(shuō)實(shí)現了能的大幅增加。另外，充電能也達到約9600mAh/g。如果使用水溶液取代水溶性凝膠，便可在空氣中連續放電20天，其放電能約為50000mAh/g，比原來(lái)約高10倍。由于鋰空氣電池的能量原本就比鋰離子電池約高10倍，因此使用新技術(shù)后共比鋰離子電池約高100倍。

　　

雖然鋰空氣電池有明顯優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也很突出，距離大規模商業(yè)化還有一定距離。電池的反應產(chǎn)物過(guò)氧化鋰及反應中間的產(chǎn)物超氧化鋰都有較高的反應活性，會(huì )分解電解液，因此幾個(gè)充放電循環(huán)后電池電量就會(huì )急劇下降，電池壽命較短;由于過(guò)氧化鋰導電性能差，充電時(shí)很難分解，需要很高的充電電壓，這還會(huì )導致分解電解液及碳電極等副作用。放電時(shí)，過(guò)氧化鋰會(huì )堵塞多孔碳電極，導致放電提前結束;充電時(shí)，鋰金屬負極表面會(huì )呈樹(shù)枝狀向正極生長(cháng)，最終可能導致短路，存在安全隱患;鋰金屬與空氣中的水蒸氣、氮氣、二氧化碳都會(huì )發(fā)生反應，導致負極材料消耗，最終使電池失效。

　　

　　

飛輪電池是20世紀90年代提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池 的局限，用物理方法實(shí)現儲能。

　　

飛輪電池中有一個(gè)電機，充電時(shí)該電機以電動(dòng)機形式運轉，在外電源的驅動(dòng)下，電機帶動(dòng)飛輪高速旋轉，即用電給飛輪電池"充電"增加了飛輪的轉速從而增大其功能;放電時(shí)，電機則以發(fā)電機狀態(tài)運轉，在飛輪的帶動(dòng)下對外輸出電能，完成機械能(動(dòng)能)到電能的轉換。當飛輪電池發(fā)出電的時(shí)，飛輪轉速逐漸下降，轉速極高(高達200000r/min，使用的軸承為非接觸式磁軸承。據稱(chēng)，飛輪電池比能量可達150W ·h/kg，比功率達5000-10000W/kg，使用壽命長(cháng)達25年，可供電動(dòng)汽車(chē)行駛500萬(wàn)公里。美國飛輪系統公司已用最新研制的飛輪電池成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車(chē)改成電動(dòng)轎車(chē)，一次充電可行駛 600km，由靜止到96km/h加速時(shí)間為6.5秒。

　　

"飛輪"這一儲能元件，已被人們利用了數千年，主要是利用它的慣性來(lái)均衡轉速和闖過(guò)"死點(diǎn)"，由于它們的工作周期都很短，每旋轉一周時(shí)間不足一秒鐘，在這樣短的時(shí)間內，飛輪的能耗是可以忽略的?，F在想利用飛輪來(lái)均衡周期長(cháng)達12~24小時(shí)的能量，飛輪本身的能耗就變得非常突出了。能耗主要來(lái)自軸承摩擦和空氣阻力。人們曾通過(guò)改變軸承結構，如變滑動(dòng)軸承為滾動(dòng)軸承、液體動(dòng)壓軸承、氣體動(dòng)壓軸承等來(lái)減小軸承摩擦力，通過(guò)抽真空的辦法來(lái)減小空氣阻力，軸承摩擦系數已小到10-3。即使如此微小，飛輪所儲的能量在一天之內仍有25%被損失，仍不能滿(mǎn)足高效儲能的要求。

　　

近年來(lái)，飛輪儲能技術(shù)取得突破性進(jìn)展是基于下述三項技術(shù)的飛速發(fā)展：一是高能永磁及高溫超導技術(shù)的出現；二是高強纖維復合材料的問(wèn)世；三是電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展。

　　

超導磁懸浮原理是這樣的：當我們將一塊永磁體的一個(gè)極對準超導體，并接近超導體時(shí)，超導體上便產(chǎn)生了感應電流。該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)剛好與永磁的磁場(chǎng)相反，于是二者便產(chǎn)生了斥力。由于超導體的電阻為零，感生電流強度將維持不變。若永磁體沿垂直方向接近超導體，永磁體將懸空停在自身重量等于斥力的位置上，而且對上下左右的干擾都產(chǎn)生抗力，干擾力消除后仍能回到原來(lái)位置，從而形成穩定的磁懸浮。若將下面的超導體換成永磁體，則兩永磁體之間在水平方向也產(chǎn)生斥力，故永磁懸浮是不穩定的。

　　

利用超導這一特性，我們可以把具有一定質(zhì)量的飛輪放在永磁體上邊，飛輪兼作電機轉子。當給電機充電時(shí)，飛輪增速儲能，變電能為機械能;飛輪降速時(shí)放能，變機械能為電能。飛輪儲能大小除與飛輪的質(zhì)量(重量)有關(guān)外，還與飛輪上各點(diǎn)的速度有關(guān)，而且是平方的關(guān)系。因此提高飛輪的速度(轉速)比增加質(zhì)量更有效。但飛輪的轉速受飛輪本身材料限制。轉速過(guò)高，飛輪可能被強大的離心力撕裂。故采用高強度、低密度的高強復合纖維飛輪，能儲存更多的能量。目前選用的碳纖維復合材料，其輪緣線(xiàn)速度可達1000米/秒，比子彈速度還要高。正是由于高強復合材料的問(wèn)世，飛輪儲能才進(jìn)入實(shí)用階段。