能源行業(yè)的“去化石化”，是195個(gè)國(guó)家根據(jù)《巴黎協(xié)定》所達(dá)成的目標(biāo)。為了確保該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，必須放棄用于能源生產(chǎn)的化石能源，把可再生替代能源作為主要能源。同時(shí)，還必須按照用戶的需求保證不間斷的能源供應(yīng)。理想情況下，這應(yīng)該是由完善、穩(wěn)定、可靠的電網(wǎng)提供的具有低碳足跡特征的能源組合。減少對(duì)化石能源依賴的另一個(gè)基石是交通運(yùn)輸領(lǐng)域的電氣化。此外，能夠全年依賴太陽能的“能源自足家庭”，是發(fā)展中國(guó)家和地區(qū)去化石化能源的關(guān)鍵。然而，可再生能源供給的不連續(xù)性(例如，在冬季，陽光是有限的，風(fēng)能的大小取決于風(fēng)速)帶來了一些必須解決的挑戰(zhàn)。為了克服這一障礙，必須找到相應(yīng)的能源儲(chǔ)存替代方案，而這本身并非易事。
最常見的能量存儲(chǔ)方式是利用重力。水力發(fā)電就是這種情形，它通過渦輪機(jī)，磨坊，錘子或其他機(jī)械裝置來利用落水的能量?，F(xiàn)代化水電廠效率極高，可以將高達(dá)90％的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。然而，與化學(xué)鍵能相比，重力能提供的能量并不高。因此，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。實(shí)際上，市場(chǎng)潛力的增長(zhǎng)并非秘密，根據(jù) Prescient＆Strategic Intelligence Private Limited在《研究與市場(chǎng)》上發(fā)表的一份報(bào)告，預(yù)計(jì)到2023年，電化學(xué)儲(chǔ)能將達(dá)到51.4 GW裝機(jī)容量，其主要推手是交通運(yùn)輸部門。在過去的十年中，電池和雙電層電容器（EDLC）也被稱為超級(jí)電容器或超大容量電容器，由于它們是汽車傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的合理替代品，因此受到越來越多的關(guān)注。但是，它們也可以用作電網(wǎng)的支持部件，或與家用太陽能系統(tǒng)結(jié)合使用。有時(shí)也稱為電雙層電容器，或超級(jí)電容器，是擁有高能量密度的電化學(xué)電容器，比傳統(tǒng)的電解電容容量高上數(shù)百倍至千倍不等。雙電層電容器的原理：插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)符號(hào)相反的過剩電荷，從而使相間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時(shí)插入兩個(gè)電極，并在其間施加一個(gè)小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時(shí)電解液中的正、負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)迅速向兩極運(yùn)動(dòng)，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層，它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的極化電荷相似，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)，緊密的雙電層近似于平板電容器。但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。雙電層電容器沒有傳統(tǒng)的電介質(zhì)，而是使用絕緣體隔開。這個(gè)絕緣層可以讓電解液中的正負(fù)離子通過。該電解液本身不能傳導(dǎo)電子。所以當(dāng)充電結(jié)束后，電容器內(nèi)部不會(huì)發(fā)生漏電（電子不會(huì)從一極流向另外一極）。當(dāng)放電的時(shí)候，電極上的電子通過外部電路從一極流向另外一極。結(jié)果是電極與電解液中的離子吸附顯著降低。從而使電解液中的正負(fù)離子重新均勻分布開來。雙電層電容器具有遠(yuǎn)高于電池的功率密度。因此，雖然現(xiàn)有的雙電層電容器的能量密度是傳統(tǒng)電池的1/10，但其功率密度是后者的10至100倍。它們適用于電化學(xué)電池（持續(xù)的能量釋放），靜電電容器 （瞬間能量釋放）之間的應(yīng)用。
左：“正常”的電容器；中：電解電容；右：雙電層電容器EDLC的功率和能量密度主要取決于電極材料的表面積，因此通常在正極和負(fù)極均使用活性炭材。這種材料的表面積大于1500 m2/g，并且有很大比例的細(xì)小微孔（我們所說的尺度是幾納米）。
活性炭是一種有吸引力的材料，不僅因?yàn)樗谋砻娣e大，還因?yàn)樗梢员缓须s環(huán)原子的官能團(tuán)(如羧基或氨基)進(jìn)行化學(xué)改性。這些官能團(tuán)與帶電粒子相互作用，通過可逆的還原-氧化反應(yīng)提高了電荷的儲(chǔ)存能力。由于能量存儲(chǔ)機(jī)制的靜電特性，EDLC可以在很短的時(shí)間內(nèi)釋放存儲(chǔ)的能量。因此，它們具有很高的比功率（功率=能量/時(shí)間）和很低的比能量。EDLC通常用于需要大功率的應(yīng)用中（例如，用于調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片位置，或用于混合動(dòng)力車、電動(dòng)車和燃料電池車）。與EDLC相反，電池以化學(xué)鍵存儲(chǔ)能量。換句話說，電能被轉(zhuǎn)換為化學(xué)能。鋰離子電池由于其高能量密度(儲(chǔ)存在小體積中的高能量)、長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間和長(zhǎng)循環(huán)壽命，以及相對(duì)較寬的工作溫度范圍，目前是多項(xiàng)應(yīng)用的“首選”技術(shù)。鋰離子電池由多個(gè)單電池疊裝在模塊中組成，單電池或串聯(lián)連接以增加電流，或并聯(lián)連接以增加電壓。
與EDLC相反，鋰離子單電池中正極和負(fù)極的活性物質(zhì)不同。在負(fù)極材料中，石墨是最常見的材料。鈦酸鋰是石墨材料的代用品，但還未廣泛應(yīng)用。正極材料通常是鈷，錳或鎳基層狀和尖晶狀材料。在充電過程中，鋰離子從正極出發(fā)，穿過電解質(zhì)到達(dá)負(fù)極，在放電過程中發(fā)生相反的情況。當(dāng)鋰離子到達(dá)負(fù)極時(shí)，它們被嵌入石墨的石墨烯層之間，形成LiC6形式的嵌入層，最終可獲得的（理論上）充電容量為372 Ah / kg（實(shí)際上測(cè)得的最大容量為335 Ah / kg，對(duì)應(yīng)于Li 0.9 C 6的化學(xué)計(jì)量。）
鋰離子電池的示意圖?CatalinaRodríguezCorrea在選擇儲(chǔ)能系統(tǒng)類型時(shí)，能量和功率密度是兩個(gè)最重要的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于鋰離子電池，這取決于可獲取的鋰量，而這又取決于正極所使用的材料。目前用作鋰離子電池的正極材料最常見的有：鋰鈷氧化物（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、鎳酸鋰（LiNiO2）及磷酸鋰鐵（LiFePO4）。便攜式設(shè)備中使用的鋰離子電池，通常是鋰鈷氧化物（LCO）或鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）。NMC和NCA（鋰鎳鈷鋁氧化物）電池是當(dāng)前電動(dòng)汽車領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)，因?yàn)樗鼈兲峁┝怂锌捎没瘜W(xué)方法中最高的能量密度。NMC電池可以持續(xù)多次充放電循環(huán)，因此，在設(shè)計(jì)為電池需要每天充電一次的車輛(如混合動(dòng)力車和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車)中，NMC電池是首選，這種設(shè)計(jì)也保證了電池的長(zhǎng)壽命。
特斯拉Model S的續(xù)航里程可達(dá)600公里
NCA電池比NMC電池更輕，并且具有更高的能量密度，但循環(huán)使用的壽命較短。特斯拉充分利用了這種技術(shù)，并提供了一輛單次充電可行駛600多公里的電動(dòng)車。這意味著，對(duì)于普通司機(jī)來說，如果他們的車在城市里行駛很短的距離，電池大約一周需要充電一次。
在開發(fā)具有長(zhǎng)循環(huán)壽命的高能量密度電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，必須跨過的門檻是：開發(fā)具有高容量和高充-放電效率的高效材料。與此同時(shí)，這些材料必須是可持續(xù)的和環(huán)境友好的。在EDLC的情況下，電極中使用的活性炭可以從可再生資源中提取。已經(jīng)用糖，棉花或蜂蜜進(jìn)行了幾次成功的嘗試。但是，使用這類原材料會(huì)導(dǎo)致“要食品，還是要燃料”的困境。為了克服這一問題，可利用農(nóng)業(yè)殘留物，如果核、堅(jiān)果殼甚至玉米芯，來開發(fā)性能可與化石來源相媲美或優(yōu)于化石來源的活性炭。對(duì)于鋰離子電池，其缺點(diǎn)之一是就是使用鋰。鋰的優(yōu)勢(shì)在于，與其他金屬相比，它的還原電位非常低，或者更傾向于貢獻(xiàn)電子，而且它是現(xiàn)存最輕的金屬。但是，它是一種相對(duì)稀有的材料。實(shí)際上，最大的礦藏分布在美洲（玻利維亞，智利，阿根廷和美國(guó)），中國(guó)和澳大利亞。另一方面，大多數(shù)鋰的加工都在亞洲進(jìn)行。因此，它的生產(chǎn)成本非常高，制造1 kWh鋰離子電池的碳足跡，與燃燒35升汽油的相當(dāng)。另外，電極中使用的其他金屬（例如鈷）也供應(yīng)量有限。因此，需要一種更可持續(xù)和環(huán)保的替代方案。鈉也是一種堿金屬，與鋰性質(zhì)相似，是含量最豐富的元素之一(只要想想海洋中的鹽水就知道了)。但是，鈉的離子尺寸比鋰大得多，這使得鈉離子很難嵌入石墨結(jié)構(gòu)中。從生物質(zhì)中獲得的非晶炭材料，與石墨相比，其組織化結(jié)構(gòu)更少，這為鈉離子的嵌入提供了更多的活性位點(diǎn)。因此，生物基炭材料可在鈉離子電池的發(fā)展中發(fā)揮決定性作用。炭材是電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)材料。然而，這些炭材料不一定是基于化石的。通過碳化農(nóng)業(yè)殘留物和任何其他類型的可持續(xù)生物質(zhì)，可獲取生物基炭材，這也使未來的電動(dòng)出行變得更綠色。2019年12月，寶武炭材與湖北中新國(guó)富新能源投資管理有限公司（下稱中新國(guó)富）簽訂5萬噸鋰電池負(fù)極材料項(xiàng)目合作框架協(xié)議，與湖北省宜城市政府、中新國(guó)富簽訂5萬噸鋰電池負(fù)極材料項(xiàng)目保障協(xié)議。該項(xiàng)目是寶武炭材進(jìn)一步加快炭材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要項(xiàng)目。寶武炭材擁有完全自主的針狀焦生產(chǎn)技術(shù)，正在積極推進(jìn)鋰電池負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化布局。未來，中新國(guó)富將依托其全資子公司襄陽漢江高科新能源材料有限公司（下稱漢江高科）與寶武炭材開展項(xiàng)目后續(xù)工作。漢江高科是湖北省唯一一家負(fù)極材料高新技術(shù)企業(yè)，其研發(fā)生產(chǎn)的系列產(chǎn)品達(dá)到了國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品高端水平，并得到眾多知名電池廠商的認(rèn)證和使用。期待寶武炭材早日成為國(guó)內(nèi)負(fù)極材料行業(yè)的卓越企業(yè)。
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