當(dāng)下最熱門的新能源莫過于風(fēng)能和太陽能，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。而目前的新能源儲存系統(tǒng)只能在特定地理位置使用，儲存成本高達(dá)每千瓦時 100 美元。

近日，美國麻省理工學(xué)院的研究人員研發(fā)出一種會呼吸的電池，成本僅為當(dāng)前技術(shù)的1/5。該電池不僅電量儲存時間久，而且對于安裝位置要求極低，同時還能實現(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，電池的陽極中充滿了大量的廉價硫溶液，陰極則使用了可以不斷吸收和釋放氧氣的充氣鹽溶液，用來中和電極之間游離的離子上的電荷。當(dāng)陰極吸收氧氣時，連接到外部電路的陽極就開始放電，當(dāng)陰極釋放氧氣時，電子便會在陽極聚集，給電池充電。

在這項最新成果中，論文的作者之一、美國麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系教授蔣葉明表示，“整個過程就像人類呼吸一樣，只不過排出的是氧氣，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)可用來儲存風(fēng)能和太陽能生產(chǎn)的電力，儲存時間從幾天到幾個月不等，成本只有每千瓦時 20～30 美元。

蔣教授于 2012 年加入美國能源部的能源儲存研究中心，開始研發(fā)新型電池。這個長達(dá) 五年的能源儲存研究項目凝聚了 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)模電量儲存成本。

蔣教授表示，在過去的數(shù)10年里，電池技術(shù)的發(fā)展一直存在一個重大隱患：過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，目前手機和電腦中最廣泛使用的鋰電池，其儲存成本約為每千瓦時 100 美元。

蔣教授對其他麻省理工學(xué)院研究人員提議，“電池所使用的化學(xué)材料越來越貴，因為人們一味地追求高能量密度，這意味著我們或許應(yīng)該換一個研究方向。如果我們想儲存太瓦（10^12）級別的能量，我們不得不使用儲量更豐富的材料?！?/p>

研究人員首先確定了陽極使用硫（溶液），一種來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)極材料是一個不小的挑戰(zhàn)。在保證電量生產(chǎn)效率的同時，還要滿足成本低廉和穩(wěn)定性高的性質(zhì)。研究人員一度對此一籌莫展，直到一次實驗室中的偶然發(fā)現(xiàn)才讓項目柳暗花明。

這種物質(zhì)就是高錳酸鉀（對，沒錯，就是初中化學(xué)中用來制氧氣的物質(zhì)）。作為電池的陰極，它可以進行還原反應(yīng)，讓離子從陽極聚集到陰極，實現(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)毫無疑問的失敗了，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?！拔覀兓腥淮笪颍庾R到陰極無需特殊物質(zhì)，陽極的硫（溶液）可以與氧氣直接進行充電化學(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，在穿過反應(yīng)池時給電池充電或放電。電池的陽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。

放電的過程中，陽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，為了保持電中性，陰極會吸收氧氣，產(chǎn)生帶負(fù)電荷的氫氧根離子。上述過程反過來就變成了充電過程，陰極釋放氧氣的同時生成氫離子，后者通過外部電路將電子聚集到陽極上。蔣教授解釋道，“吸收和釋放氧氣的過程就是一個保持整個系統(tǒng)電荷平衡的過程?！?/p>

該電池使用的化學(xué)材料都十分廉價，和其他充電電池相比，它的成本非常低，長時間放電非常劃算。它的能量密度僅僅比鋰電池低了一點點?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)副教授 Venkat Viswanathan 表示，“這是一個頗具創(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)造出了一種廉價的電池?！斑@種設(shè)計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，不過流體電池可以大規(guī)模組裝起來，構(gòu)成更大的儲存系統(tǒng)。

因為該電池可以持續(xù)放電長達(dá)數(shù)月，它非常適合儲存像風(fēng)能和太陽能這種豐富卻非持續(xù)的新能源?！疤柲馨l(fā)電的間歇期約為 12 小時，而風(fēng)能發(fā)電可能有更長的并且難以預(yù)測的間歇期。人們需要采取保守方案應(yīng)對難以預(yù)測的情況，這需要電池具備長時間放電的能力，因為誰也不知道下次刮風(fēng)是什么時候。季節(jié)性儲存能力也很重要，尤其對于北方地區(qū)，因為夏季和冬季的光照時間差別很大?！?/p>

這有可能是第一個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?！?/p>

（編輯/華生）