美國麻省理工學院開發出“會呼吸的”電池，成本僅為當前技術的1/5

當下最熱門的新能源莫過于風能和太陽能，但是這兩種能源的非持續性限制了其在供電網絡中的大規模普及。而目前的新能源儲存系統只能在特定地理位置使用，儲存成本高達每千瓦時 100 美元。

近日，美國麻省理工學院的研究人員研發出一種會呼吸的電池，成本僅為當前技術的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，同時還能實現了零排放。這種新型電池有望將新能源轉化成可靠的電網供電源。

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。當陰極吸收氧氣時，連接到外部電路的陽極就開始放電，當陰極釋放氧氣時，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、美國麻省理工學院材料科學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。”該研究由數名麻省理工學院教授、博士后、學者和學生共同完成，記載詳細成果的論文刊登在《Joule》上。

新型電池的化學材料成本（陰極，陽極和電解質材料）僅有鋰電池成本的1/30，大量電池組成的系統可用來儲存風能和太陽能生產的電力，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，開始研發新型電池。這個長達 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。蔣教授主要負責研發更高效的電池技術，降低電網的大規模電量儲存成本。

蔣教授表示，在過去的數10年里，電池技術的發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院研究人員提議，“電池所使用的化學材料越來越貴，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。”

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，尋找負極材料是一個不小的挑戰。在保證電量生產效率的同時，還要滿足成本低廉和穩定性高的性質。研究人員一度對此一籌莫展，直到一次實驗室中的偶然發現才讓項目柳暗花明。

這種物質就是高錳酸鉀（對，沒錯，就是初中化學中用來制氧氣的物質）。作為電池的陰極，它可以進行還原反應，讓離子從陽極聚集到陰極，實現放電的目的。然而高錳酸鉀的還原反應通常是不可逆的，因此電池無法充電。

抱著試一試的心態，研究人員嘗試著逆轉上述化學反應。逆轉毫無疑問的失敗了，然而陰極內部的空氣發生了意想不到的氧化反應，電池充電成功了。“我們恍然大悟，意識到陰極無需特殊物質，陽極的硫（溶液）可以與氧氣直接進行充電化學反應。”蔣教授感慨道。

利用該發現，研究人員發明了一種流體電池，電解質不斷地在電極之間流動，在穿過反應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成，陰極電解液由氧化溶解鹽構成，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，電子則被傳輸到外部電路中。與此同時，為了保持電中性，陰極會吸收氧氣，產生帶負電荷的氫氧根離子。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電荷平衡的過程。”

該電池使用的化學材料都十分廉價，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。卡內基梅隆大學副教授 Venkat Viswanathan 表示，“這是一個頗具創造性的新概念，有望成為超低成本的電網電力儲存方法之一。”

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上，創造出了一種廉價的電池。“這種設計可以立刻喚醒人們的想象力，能夠啟發更多的電池技術研究者。”

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模組裝起來，構成更大的儲存系統。

因為該電池可以持續放電長達數月，它非常適合儲存像風能和太陽能這種豐富卻非持續的新能源。“太陽能發電的間歇期約為 12 小時，而風能發電可能有更長的并且難以預測的間歇期。人們需要采取保守方案應對難以預測的情況，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是什么時候。季節性儲存能力也很重要，尤其對于北方地區，因為夏季和冬季的光照時間差別很大。”

這有可能是第一個能夠從成本和能量密度角度挑戰抽水蓄能系統的技術。盡管后者嚴重受限于地理位置條件，但在世界范圍內，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電站附近安裝。”

（編輯/華生）