锌空气电池介绍

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流体锌空气电池
- 储能，释能可在同一系统内或独立进行
- 燃料形态 – 锌粒 功率和能量可独立放大
空气处理系统
进料 出料
再生装置 -
COPPER - COAL - ZINC - GOLD - ENERGY
进料回路
流体化装置
锌粒
KOH
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- 能源载体使用的关键
1
2
Zn → Zn2+ →
固体
液体
ZnO 固体
加工 运输 储存 送料 反应后的阳极排出
大规模，自动化运行最困难的地方
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传统电池做不到
氢/水
唯一被大规模探讨和开发过的材料
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电能载体的基本要求
化学能-电能的直接转换 高能量 可控的能量释放 有效的循环使用 经济的加工和操作 方便的储存和运输 安全和与环境兼容 丰富
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机械法可充电锌空气电池系统
- 开放式运行，分散家庭电源，集中充电储能
AEDC, 南非
家用手提式电源
对偏远地区的穷人：唯一的
单个锌空气电池
没有电网 电池/太阳能电池/风能不可行 劳动力价格非常低
给穷人提供福利
家庭用电和就业机会
阳极用锌粉制作，放完电阳极集中 送到锌冶炼厂 – 储能
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电化学电源技术：回顾和展望
- 不同的时代有不同的关注和发展特点
1800
电池发明
锌-水关电注池 概念
1882 碱性锌锰电池
1950 商业化
关注产品
关注应用系统
1839
- 探氢索燃料电池
1899
- 开发技术
1大9规90模- 开20发09(复杂，高要求未,来大？规？模？)
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反应可逆性
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动力学性能
氢 – 低能量密度 - 致命的问题
能量密度
锌
稳定性 氢
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碱性水溶液
镁 – 不可逆, 没有活性
能量密度
动力学性能 锌
镁 稳定性
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反应可逆性
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锌 – 综合最优秀的电化学性能
- 与元素周期表中的常用元素比较
省点油给后代用
当代人的道义责任 与油价无关
可再生能源足够满足人类未来的能源需求
太阳每天辐射到地球的能量是人类目前用量的7000倍
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机械法可充电锌空气电池系统
- 封闭式运行，分散动力电源，集中充电储能
- 电动公共汽车 - 阳极燃料用枝晶状锌粉 – 高活性，高能量 - 燃料再生在独立的工厂集中进行 - 储能
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能源载体材料：能够大规模有效的吸收和释放电能的材料 吸收能量和释放能量在不同的系统中进行
技术方面：电化学系统的复杂程度和难度大大低于可充电电池
经济方面：储存的电能不必释放回电网
可以用到价值更高的地方 - 电动车，清洁能源
运行自由度：
电能的非电网运输 规模任意大小 电能材料化
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3 kW & 24kWh 示范系统
- Teck 公司拥有知识产权
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锌电解技术 – 已是成熟的储能技术
已被大规模的工业化使用了半个世纪 目前全世界95%的金属锌是用电解法获得的 从锌精矿(ZnS和泥石的混合物)到金属： US$0.3-0.4/kg
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多样的电源系统和材料形态匹配
一次电池
锌板
雾化锌粉
枝晶状锌粉
wk.baidu.com钮扣电池 碱性电池
锌空电池 二次镍氢电池 锌泊
机加工锌丝
冷凝锌粉
机械法可再充电电池
锌粒
沉积锌粒
机加工锌粒
Br2/Br-
ZnBr2
锌燃料电池
液流电池沉积锌
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沉积锌
锌丝
氧化物/盐
此村里的每户人家的照明，电视和通讯
电都是用锌空气电源提供的
纳米比亚
成功地商业化
全世界仍有几亿人没有电
锌 – 真正意义上的能源载体
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反应可逆性
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碱性水溶液
铝 – 不可逆，不稳定
能量密度
铝 动力学性能
锌
稳定性
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反应可逆性
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传统可充电电池-对大规模储能不合适
传统电池
作为电源研研发，设计和生产的，不是用来储能的。 能够在很宽的功率范围里放电，只能在一定的条件下充电 所有材料固定在一个容器中，容量有限
大规模储能系统
要求在很宽的功率范围里在很长的时间里吸收能量 对传统电池是非常严峻的挑战
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锌 - 是重要的电能材料
– 锌基电池系统：最长的历史，最多的可能性，三分之一的世界电池市场
Wh/kg
Theretic电al池E系ne统rg的y o理f 论Ba能tte量ry Systems
Handbo电o池k 手of册Ba，ttLeinrideesnb2y0L0i2nden, 2002 1600
锌和阳极形态:
- 枝晶状, 雾化粉, 丝状 - 固态或胶态
换电方式：人工或机械
水平堆放的电池组
充换电频率:
- 每次放电后 - 经过若干次充放电
换电之间的充电: 在电池中进行或电池外进行
垂直排放的电池组
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氢不合适 锌满足所有上述要求 元素周期表上的元素没有比锌更合适的
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锌在水溶液中具有优良的综合电化学性能
能量密度
碱性水溶液
动力学性能
锌
稳定性
从ZnO+KOH 要低的多 < $0.2/kg
电解厂的规模一般在100-300MW
目前只有蓄能水库可以做到
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储能材料的管理
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大规模电能储存的重要性
风电，太阳电
资源丰富，但质量很差 高度的变化 – 时刻地，每天地，季节性的
问题/挑战：
平稳地输入电网 发电站的利用效率 作为独立体系使用
大规模储能是关键
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可再生能源 --人类未来的能源
CO2 的排放 – 气候变异
需要减少使用化石能源
石油耗竭
石油将越来越贵 - 可再生能源将会比石油偏宜
- 碳和其衍生物 – 不可逆 - 氢 – 低能量密度 - 铝, 镁，硅，钛 – 不可逆 - 铁，镉，铅 – 低能量密度 - 锂，钠，钾，钙 – 不稳定, 不可逆
能量密度
动力学性能
碱性水溶液中
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铝镁
氢
锌
稳定性
反应可逆性
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锌作为储能载体 在电能存储和清洁能源中的发展前景
章小鸽 Teck 产品技术中心，加拿大
2010年三月七日，北京中航技长力合作签约仪式
源自2008年美国电化学储能会议上的特邀报告
内容提要
大规模储能的需求 能源载体的概念 为什么是锌？ 储能系统，材料形态和运作可能性 能源载体 - 应用方式 发展前景和挑战
氢经济 - 多种技术集成
- 发明 1860
铅酸电池
- 初期应用尝试
锌镍电池 - 工艺实现
1912
锂离子电- 池寻找应用
- 整体运行效率
1990
未来
商业化 - 基础设动施力配电套池等
1868 锌锰电池 锌空电池
1932 商业应用
1950 机械可充电池
1970 水力式可充电
未来 锌 - 载能材料 储能，动力电池
1882 镍镉电池
1800
1900
1800 19世纪
1900
COPPER - COAL - ZINC - GOLD - ENERGY
1941 锌银电池
20世纪
22000000
时间
22010世0 纪
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采用能源载体来解决储能问题
系统内
流体电池 燃料电池
封闭式系统外运行
机械式可充电 水力式可充电
开放式系统外运行
机械式可充电 水力式可充电
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机械法可充电电池的设计变化
- 根据应用和运行的成本结构可不同
电池组堆放:
- 水平 - 垂直
电池壳架: 刚性或柔性
1400 锌电池：高能量
锌空气
1200 1000
锂锰
800
600
锌银
400
锌锰 锌镍 镍镉 铅酸 镍氢
200
0
Ni-Cd Lead-acid Ni-MH Zn-MnO2 Zn-Ni Zn-Ag Li-MnO2 Zn-air
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多种运行方式
燃料生产者
电池
燃料储存
已氧化燃料
燃料再生
开发市场
- 氧化物产家 - 冶炼厂和回收加工者
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按燃料再生的地点分：
电池内
常规可充电电池
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应用模型 – 谷电利用
系统: - 机械法可充电锌空电池 - 100 百万瓦规模, 输出200百万千瓦时/年, 输入580 百万 千瓦时/年
固定资产: 两千三百万美金 - 折旧: 再生工厂25 年; 锌空气电池 1 年
运行成本：每年三千六百万美金
- 人工: 七百万 - 电费: 二千九百万，每千瓦时5每美分
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美国2009年国家供电论坛
行业调查问题：
什么将是对电力工业变革效用最大的技术？
1. 可再生能源和低碳发电技术 2. 输电高速公路 3. 电能储存技术 4. 电力需求管理
15% 19% 38% 3%
储能技术被认为是最有效的
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