美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)出“會(huì)呼吸的”電池，成本僅為當(dāng)前技術(shù)的1/5

當(dāng)下最熱門的新能源莫過(guò)于風(fēng)能和太陽(yáng)能，但是這兩種能源的非持續(xù)性限制了其在供電網(wǎng)絡(luò)中的大規(guī)模普及。而目前的新能源儲(chǔ)存系統(tǒng)只能在特定地理位置使用，儲(chǔ)存成本高達(dá)每千瓦時(shí) 100 美元。

近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員研發(fā)出一種會(huì)呼吸的電池，成本僅為當(dāng)前技術(shù)的1/5。該電池不僅電量?jī)?chǔ)存時(shí)間久，而且對(duì)于安裝位置要求極低，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)了零排放。這種新型電池有望將新能源轉(zhuǎn)化成可靠的電網(wǎng)供電源。

我們都知道，電池的陽(yáng)極中充滿了大量的廉價(jià)硫溶液，陰極則使用了可以不斷吸收和釋放氧氣的充氣鹽溶液，用來(lái)中和電極之間游離的離子上的電荷。當(dāng)陰極吸收氧氣時(shí)，連接到外部電路的陽(yáng)極就開(kāi)始放電，當(dāng)陰極釋放氧氣時(shí)，電子便會(huì)在陽(yáng)極聚集，給電池充電。

在這項(xiàng)最新成果中，論文的作者之一、美國(guó)麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系教授蔣葉明表示，“整個(gè)過(guò)程就像人類呼吸一樣，只不過(guò)排出的是氧氣，不是二氧化碳。”該研究由數(shù)名麻省理工學(xué)院教授、博士后、學(xué)者和學(xué)生共同完成，記載詳細(xì)成果的論文刊登在《Joule》上。

新型電池的化學(xué)材料成本（陰極，陽(yáng)極和電解質(zhì)材料）僅有鋰電池成本的1/30，大量電池組成的系統(tǒng)可用來(lái)儲(chǔ)存風(fēng)能和太陽(yáng)能生產(chǎn)的電力，儲(chǔ)存時(shí)間從幾天到幾個(gè)月不等，成本只有每千瓦時(shí) 20～30 美元。

蔣教授于 2012 年加入美國(guó)能源部的能源儲(chǔ)存研究中心，開(kāi)始研發(fā)新型電池。這個(gè)長(zhǎng)達(dá) 五年的能源儲(chǔ)存研究項(xiàng)目凝聚了 180 多名科研工作者的心血。蔣教授主要負(fù)責(zé)研發(fā)更高效的電池技術(shù)，降低電網(wǎng)的大規(guī)模電量?jī)?chǔ)存成本。

蔣教授表示，在過(guò)去的數(shù)10年里，電池技術(shù)的發(fā)展一直存在一個(gè)重大隱患：過(guò)于注重大能量密度的合成材料，導(dǎo)致了電池成本居高不下。例如，目前手機(jī)和電腦中最廣泛使用的鋰電池，其儲(chǔ)存成本約為每千瓦時(shí) 100 美元。

蔣教授對(duì)其他麻省理工學(xué)院研究人員提議，“電池所使用的化學(xué)材料越來(lái)越貴，因?yàn)槿藗円晃兜刈非蟾吣芰棵芏龋@意味著我們或許應(yīng)該換一個(gè)研究方向。如果我們想儲(chǔ)存太瓦（10^12）級(jí)別的能量，我們不得不使用儲(chǔ)量更豐富的材料?！?/p>

研究人員首先確定了陽(yáng)極使用硫（溶液），一種來(lái)自天然氣和石油精煉的副產(chǎn)品，它獲取難度小，能量密度高，而且電能單位儲(chǔ)存成本極低——僅次于水和空氣。另一方面，尋找負(fù)極材料是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。在保證電量生產(chǎn)效率的同時(shí)，還要滿足成本低廉和穩(wěn)定性高的性質(zhì)。研究人員一度對(duì)此一籌莫展，直到一次實(shí)驗(yàn)室中的偶然發(fā)現(xiàn)才讓項(xiàng)目柳暗花明。

這種物質(zhì)就是高錳酸鉀（對(duì)，沒(méi)錯(cuò)，就是初中化學(xué)中用來(lái)制氧氣的物質(zhì)）。作為電池的陰極，它可以進(jìn)行還原反應(yīng)，讓離子從陽(yáng)極聚集到陰極，實(shí)現(xiàn)放電的目的。然而高錳酸鉀的還原反應(yīng)通常是不可逆的，因此電池?zé)o法充電。

抱著試一試的心態(tài)，研究人員嘗試著逆轉(zhuǎn)上述化學(xué)反應(yīng)。逆轉(zhuǎn)毫無(wú)疑問(wèn)的失敗了，然而陰極內(nèi)部的空氣發(fā)生了意想不到的氧化反應(yīng)，電池充電成功了。“我們恍然大悟，意識(shí)到陰極無(wú)需特殊物質(zhì)，陽(yáng)極的硫（溶液）可以與氧氣直接進(jìn)行充電化學(xué)反應(yīng)。”蔣教授感慨道。

利用該發(fā)現(xiàn)，研究人員發(fā)明了一種流體電池，電解質(zhì)不斷地在電極之間流動(dòng)，在穿過(guò)反應(yīng)池時(shí)給電池充電或放電。電池的陽(yáng)極電解液由含有鋰或鈉離子的聚硫構(gòu)成，陰極電解液由氧化溶解鹽構(gòu)成，電極溶液之間隔著一層薄膜。

放電的過(guò)程中，陽(yáng)極的鋰或鈉離子游離至陰極，電子則被傳輸?shù)酵獠侩娐分?。與此同時(shí)，為了保持電中性，陰極會(huì)吸收氧氣，產(chǎn)生帶負(fù)電荷的氫氧根離子。上述過(guò)程反過(guò)來(lái)就變成了充電過(guò)程，陰極釋放氧氣的同時(shí)生成氫離子，后者通過(guò)外部電路將電子聚集到陽(yáng)極上。蔣教授解釋道，“吸收和釋放氧氣的過(guò)程就是一個(gè)保持整個(gè)系統(tǒng)電荷平衡的過(guò)程?！?/p>

該電池使用的化學(xué)材料都十分廉價(jià)，和其他充電電池相比，它的成本非常低，長(zhǎng)時(shí)間放電非常劃算。它的能量密度僅僅比鋰電池低了一點(diǎn)點(diǎn)?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)副教授 Venkat Viswanathan 表示，“這是一個(gè)頗具創(chuàng)造性的新概念，有望成為超低成本的電網(wǎng)電力儲(chǔ)存方法之一?！?/p>

盡管鋰硫電池和鋰空氣電池（陰極是硫或氧氣）算不上新概念，但是該研究的重點(diǎn)創(chuàng)新在于將兩種概念合二為一，在保證效率和能量密度的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造出了一種廉價(jià)的電池?！斑@種設(shè)計(jì)可以立刻喚醒人們的想象力，能夠啟發(fā)更多的電池技術(shù)研究者?！?/p>

目前，該電池原型樣本和咖啡杯的大小相似，不過(guò)流體電池可以大規(guī)模組裝起來(lái)，構(gòu)成更大的儲(chǔ)存系統(tǒng)。

因?yàn)樵撾姵乜梢猿掷m(xù)放電長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，它非常適合儲(chǔ)存像風(fēng)能和太陽(yáng)能這種豐富卻非持續(xù)的新能源?！疤?yáng)能發(fā)電的間歇期約為 12 小時(shí)，而風(fēng)能發(fā)電可能有更長(zhǎng)的并且難以預(yù)測(cè)的間歇期。人們需要采取保守方案應(yīng)對(duì)難以預(yù)測(cè)的情況，這需要電池具備長(zhǎng)時(shí)間放電的能力，因?yàn)檎l(shuí)也不知道下次刮風(fēng)是什么時(shí)候。季節(jié)性儲(chǔ)存能力也很重要，尤其對(duì)于北方地區(qū)，因?yàn)橄募竞投镜墓庹諘r(shí)間差別很大?！?/p>

這有可能是第一個(gè)能夠從成本和能量密度角度挑戰(zhàn)抽水蓄能系統(tǒng)的技術(shù)。盡管后者嚴(yán)重受限于地理位置條件，但在世界范圍內(nèi)，它仍然是最主要新能源儲(chǔ)存手段。

蔣教授表示，“這種流體電池的能量密度是抽水蓄能系統(tǒng)的 500 倍，而且體積更小，不受地理因素限制，適合在各種新能源發(fā)電站附近安裝。”

（編輯/華生）