編譯/ 錢(qián)亞光

設(shè)計(jì)/ 琚 佳

來(lái)源/ news.mit.edu, scitechdaily.com, www.technologyreview.com

傳統(tǒng)鋰電池在重量相同的情況下所能儲(chǔ)存的能量已接近極限。這成為了電動(dòng)交通領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的重大障礙，尤其是對(duì)于像飛機(jī)、火車(chē)和輪船這類(lèi)耗能巨大的設(shè)備而言。

如今，麻省理工學(xué)院（MIT）的新研究或許能提供一種突破性的解決方案。麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程教授蔣業(yè)明（Yet-Ming Chiang）為首的的研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種革命性的鈉-空氣燃料電池（sodium-air fuel cell），有望在航空、鐵路和海運(yùn)領(lǐng)域作為動(dòng)力來(lái)源。

蔣業(yè)明教授來(lái)自中國(guó)臺(tái)灣，是美國(guó)工程院院士，目前最優(yōu)秀的材料學(xué)家之一，曾研究出用鋁、鈮、鋯等三種金屬做正極的超級(jí)鋰電池。他還創(chuàng)辦過(guò)A123 Systems、Form Energy等多家影響深遠(yuǎn)的能源科技公司。

承載這項(xiàng)成果的論文《用于高能量密度和低成本電力的鈉-空氣燃料電池（Sodium-Air Fuel Cell for High Energy Density and Low-Cost Electric Power）》，5月27日發(fā)表在《焦耳（Joule）》雜志上，作者包括麻省理工學(xué)院的博士生凱倫·蘇加諾（Karen Sugano）、蘇尼爾·邁爾（Sunil Mair）、薩伊赫·甘蒂-阿格拉瓦爾（Saahir Ganti-Agrawal）以及蔣業(yè)明和其他5位同事。

新設(shè)計(jì)不再使用傳統(tǒng)電池，而是采用了燃料電池的思路。它有一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)，可以快速加注燃料來(lái)產(chǎn)生電能，而不是緩慢地給電池充電。這種特定的燃料電池使用液態(tài)鈉金屬作為能源，這是一種成本低廉且廣泛可得的材料，另一種成分則是普通的空氣。兩者之間的一層固體陶瓷層有助于鈉離子的移動(dòng)，空氣一側(cè)的特殊電極則會(huì)引發(fā)反應(yīng)產(chǎn)生電能。

“我們預(yù)計(jì)人們會(huì)認(rèn)為這是一個(gè)極其瘋狂的想法，如果人們覺(jué)得這沒(méi)什么不妥，那我會(huì)感到相當(dāng)失望，”蔣業(yè)明說(shuō)道。“因?yàn)槿绻粋€(gè)想法一開(kāi)始聽(tīng)起來(lái)并不瘋狂，那它可能也就沒(méi)有你想象的那么具有革命性。幸運(yùn)的是，在這件事上大多數(shù)人都認(rèn)為我是瘋了。”

能量密度高且供能持續(xù)

MIT所提出的燃料電池具有兩個(gè)獨(dú)立的腔室，一個(gè)裝有液態(tài)鈉金屬，另一個(gè)則充滿空氣。鈉原子穿過(guò)一層固體陶瓷電解質(zhì)屏障，與空氣一側(cè)多孔電極上的氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電能。他們?cè)O(shè)想的系統(tǒng)將使用可重復(fù)填充的密封容器，來(lái)裝載液態(tài)鈉金屬。當(dāng)其耗盡時(shí)，會(huì)被送回補(bǔ)給站并重新裝入新的鈉金屬。

該系統(tǒng)利用液態(tài)鈉和周?chē)諝猓峁┑哪芰棵芏仁悄壳半妱?dòng)汽車(chē)鋰離子電池的三倍——這有可能使電動(dòng)飛機(jī)成為現(xiàn)實(shí)。蔣業(yè)明指出，這項(xiàng)技術(shù)具有極大的變革潛力。在航空領(lǐng)域，重量問(wèn)題尤為關(guān)鍵，這種能量密度的提升或許能帶來(lái)突破性進(jìn)展，最終使電動(dòng)飛行在大規(guī)模應(yīng)用方面成為可能。

他表示：“要實(shí)現(xiàn)真正可行的電動(dòng)飛行，所需的能量閾值大約為1000瓦時(shí)/千克。”目前電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池最高能量密度約為300瓦時(shí)/千克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所需的水平。即便達(dá)到1000瓦時(shí)/千克，也無(wú)法滿足飛機(jī)跨大陸或跨大洋飛行的需求。

蔣業(yè)明稱(chēng)，這種燃料電池所實(shí)現(xiàn)的能量密度與氫燃料電池在航空推進(jìn)方面的潛力類(lèi)似，雖然能比鋰離子電池實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的飛行距離，但被認(rèn)為僅適用于區(qū)域航空，不適用于洲際飛行。這類(lèi)航程范圍的飛行“約占國(guó)內(nèi)航班的80%，以及航空業(yè)排放量的30%。”

這項(xiàng)技術(shù)還可能為海運(yùn)和鐵路運(yùn)輸?shù)绕渌I(lǐng)域提供動(dòng)力。“它們都需要極高的能量密度，而且都需要低成本。”他說(shuō)道。“這就是我們選擇鈉-空氣燃料電池的原因。”

在過(guò)去30年里，人們投入了大量的精力來(lái)研發(fā)鋰-空氣電池或鈉-空氣電池，但要使它們實(shí)現(xiàn)完全可充電一直是個(gè)難題。“人們?cè)缇椭澜饘倏諝怆姵厮苓_(dá)到的能量密度，而且這一特性極具吸引力，但一直未能在實(shí)際應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)，”蔣業(yè)明說(shuō)道。

MIT鈉燃料電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)主要成員。從左到右：薩伊赫·甘蒂-阿格拉瓦爾、凱倫·蘇加諾、蘇尼爾·邁爾、蔣業(yè)明 來(lái)源：Gretchen Ertl

該團(tuán)隊(duì)制作了該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模原型的兩種不同版本。其中一種被稱(chēng)為“H型”，采用了垂直的玻璃管結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有中央的固體陶瓷電解質(zhì)以及多孔的空氣電極，兩側(cè)分別設(shè)有用于容納液態(tài)鈉和空氣的獨(dú)立管道，為中央管道中的電化學(xué)反應(yīng)提供氧氣。隨著鈉燃料的逐漸消耗，反應(yīng)不斷發(fā)生。

一個(gè)被稱(chēng)為“流體電池（flow cell）”的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模原型 圖片來(lái)源：Gretchen Ertl

在第二種原型設(shè)計(jì)方案中，有助于反應(yīng)進(jìn)行的多孔空氣電極固定在托盤(pán)底部，反應(yīng)室呈水平狀，有一個(gè)裝有電解質(zhì)材料的托盤(pán)來(lái)存放液態(tài)鈉燃料，并將其置于陶瓷電解質(zhì)和空氣電極之上。測(cè)試表明，在濕度可控條件下，該系統(tǒng)每千克的發(fā)電量可達(dá)1700瓦時(shí)——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了目標(biāo)的1000瓦時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

由于鈉在約98攝氏度時(shí)會(huì)變成液體，所以這些裝置在110攝氏度至130攝氏度的中等溫度下運(yùn)行，這種溫度對(duì)于在飛機(jī)或船上使用來(lái)說(shuō)是可行的。氫燃料電池雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較高的能量密度，但這需要將氫以高壓形式儲(chǔ)存，并且通常需要在極低的溫度下進(jìn)行儲(chǔ)存。

一小瓶液態(tài)鈉金屬 來(lái)源：Gretchen Ertl

研究人員發(fā)現(xiàn)，空氣濕度對(duì)于使電化學(xué)反應(yīng)高效至關(guān)重要，這使得鈉能夠以液態(tài)而非固態(tài)形式產(chǎn)生放電產(chǎn)物。這使得放電產(chǎn)物更容易通過(guò)系統(tǒng)中的空氣流動(dòng)被清除。博士研究生凱倫·蘇加諾解釋道：“關(guān)鍵在于我們能夠形成這種液態(tài)排放產(chǎn)物，并且能夠輕松將其清除，這與在干燥條件下會(huì)形成的固體排放物截然不同。”

“我們?cè)谠O(shè)計(jì)電極時(shí)借鑒了燃料電池研究的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也參考了較早的高溫電池研究以及一些新興的鈉-空氣電池研究，并將它們?nèi)诤显谝黄稹！彼_伊赫·甘蒂-阿格拉瓦爾表示，這促成了團(tuán)隊(duì)所取得的“性能大幅提升”。

不花錢(qián)還讓碳排放為負(fù)值

研究人員設(shè)想，在飛機(jī)上像堆疊餐廳托盤(pán)一樣堆疊燃料電池。隨著鈉金屬在提供電力時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)變化而被消耗，會(huì)有一種類(lèi)似噴氣式飛機(jī)尾氣的副產(chǎn)品被排出。

但有一個(gè)很大的不同之處，這種尾氣中不會(huì)有二氧化碳。排放物是氧化鈉（NaO），這種化合物會(huì)迅速與空氣中的水分結(jié)合，生成氫氧化鈉（NaOH），氫氧化鈉很容易與二氧化碳結(jié)合，形成固體物質(zhì)碳酸鈉，碳酸鈉進(jìn)而會(huì)形成碳酸氫鈉，也就是我們熟知的小蘇打。

“當(dāng)你以鈉金屬為起始材料時(shí)，就會(huì)發(fā)生一系列自然的化學(xué)反應(yīng)。”蔣說(shuō)道，“這一切都是自發(fā)進(jìn)行的。我們無(wú)需做任何干預(yù)，只需讓飛機(jī)起飛即可。”

此外，還有一個(gè)好處是，如果最終產(chǎn)物碳酸氫鈉最終進(jìn)入海洋，它能夠幫助降低海水的酸度，并能將二氧化碳以穩(wěn)定的形式捕獲下來(lái)，從而抵消溫室氣體帶來(lái)的破壞性影響。這些解決方案已被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)氣候變化的有效方法，但由于成本過(guò)高而尚未得到實(shí)施。“但在這里，它是副產(chǎn)品，”蔣業(yè)明解釋道，所以它實(shí)際上是免費(fèi)的，能帶來(lái)環(huán)境效益且無(wú)需成本。

更安全便宜且易于補(bǔ)充

“這是一個(gè)頗具創(chuàng)意的電池設(shè)計(jì)理念，”德國(guó)吉森大學(xué)物理化學(xué)研究所（Institute of Physical Chemistry at the University of Giessen in Germany）的教授尤爾根·詹克（Jürgen Janek）說(shuō)道。他并未參與此項(xiàng)研究，但此前確實(shí)進(jìn)行過(guò)關(guān)于鈉-空氣電池的研究，他認(rèn)為將這種化學(xué)原理應(yīng)用于燃料電池中是一種全新的嘗試。

“這種燃料電池的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是安全性。”詹克說(shuō)道，因?yàn)榕c鋰金屬一樣，鈉金屬的化學(xué)活性極高，如果接觸到水分就會(huì)自行燃燒。當(dāng)被問(wèn)及這個(gè)問(wèn)題時(shí)，蔣業(yè)明說(shuō)：“只要是高能量密度的電池，安全性始終是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槿绻麑煞N反應(yīng)物隔開(kāi)的膜破裂，就可能會(huì)引發(fā)失控反應(yīng)。”

這種新型燃料電池在本質(zhì)上比許多其他電池都要安全得多，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，它能夠?qū)⑷剂吓c空氣隔離開(kāi)，需要能量時(shí)才進(jìn)行反應(yīng)，降低了失控反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。與高能量鋰電池相比，它使用陶瓷電解質(zhì)以及避免在附近放置兩種高度集中的反應(yīng)物質(zhì)，進(jìn)一步提升了安全性。

要生產(chǎn)出足夠的鈉金屬，才能讓這項(xiàng)技術(shù)在全球范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用和全面推行。這應(yīng)該是可行的，因?yàn)檫@種材料此前曾大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)。在含鉛汽油盛行時(shí)期，鈉金屬就被用于制造添加劑四乙基鉛（tetraethyl lead），當(dāng)時(shí)美國(guó)年產(chǎn)量達(dá)到了20萬(wàn)噸。“這讓我們想起，鈉金屬曾經(jīng)在美國(guó)大規(guī)模生產(chǎn)，并且得到了安全的處理和配送。”蔣業(yè)明說(shuō)道。

盡管目前的產(chǎn)量大幅降低，但鈉主要來(lái)源于氯化鈉，因此儲(chǔ)量豐富，在全球范圍內(nèi)分布廣泛，并且易于提取，熔點(diǎn)低（只有98 攝氏度），這使其更易于處理和加注。

明年開(kāi)啟無(wú)人機(jī)飛行測(cè)試

目前該設(shè)備還只是一個(gè)小型的電池單元原型，蔣表示，該系統(tǒng)應(yīng)該很容易就能擴(kuò)大到實(shí)用的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)的成員已經(jīng)成立了一家名為Propel Aero的公司，致力于將這項(xiàng)研究商業(yè)化，公司目前已入駐MIT創(chuàng)業(yè)孵化器 The Engine。該項(xiàng)目獲得了美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃局（ARPA-E）Propel-1K項(xiàng)目的資助，以及突破能源聯(lián)盟（Breakthrough Energy Ventures）和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）的支持，并使用了麻省理工學(xué)院納米技術(shù)中心（MIT.nano）。

接下來(lái)的步驟是繼續(xù)進(jìn)行研究，以提高電池的性能和能量密度，并開(kāi)始設(shè)計(jì)小型系統(tǒng)。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃先制造一個(gè)磚頭大小的燃料電池，能提供約為1000瓦時(shí)電量，足以為大型無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力。該團(tuán)隊(duì)希望在明年內(nèi)準(zhǔn)備好這樣一個(gè)演示產(chǎn)品。

目前這項(xiàng)技術(shù)還處于研發(fā)階段，距離大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有距離。正如蔣業(yè)明所言：“這項(xiàng)技術(shù)或許不會(huì)在明年實(shí)現(xiàn)飛行應(yīng)用，但它展現(xiàn)了未來(lái)十年電動(dòng)航空發(fā)展的重要潛力。”