編譯 / 錢亞光

設(shè)計 / 琚 佳

來源 / 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存的能量已接近極限。這成為了電動交通領(lǐng)域未來發(fā)展的重大障礙，尤其是對于像飛機、火車和輪船這類耗能巨大的設(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)團隊開發(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、鐵路和海運領(lǐng)域作為動力來源。

蔣業(yè)明教授來自中國臺灣，是美國工程院院士，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鋰電池。他還創(chuàng)辦過A123 Systems、Form Energy等多家影響深遠的能源科技公司。

承載這項成果的論文《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。它有一個顯著的優(yōu)勢，可以快速加注燃料來產(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，空氣一側(cè)的特殊電極則會引發(fā)反應(yīng)產(chǎn)生電能。

“我們預(yù)計人們會認為這是一個極其瘋狂的想法，如果人們覺得這沒什么不妥，那我會感到相當失望，”蔣業(yè)明說道。“因為如果一個想法一開始聽起來并不瘋狂，那它可能也就沒有你想象的那么具有革命性。幸運的是，在這件事上大多數(shù)人都認為我是瘋了?！?/p>

能量密度高且供能持續(xù)

MIT所提出的燃料電池具有兩個獨立的腔室，一個裝有液態(tài)鈉金屬，另一個則充滿空氣。鈉原子穿過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。他們設(shè)想的系統(tǒng)將使用可重復(fù)填充的密封容器，來裝載液態(tài)鈉金屬。當其耗盡時，會被送回補給站并重新裝入新的鈉金屬。

該系統(tǒng)利用液態(tài)鈉和周圍空氣，所提供的能量密度是目前電動汽車鋰離子電池的三倍——這有可能使電動飛機成為現(xiàn)實。蔣業(yè)明指出，這項技術(shù)具有極大的變革潛力。在航空領(lǐng)域，重量問題尤為關(guān)鍵，這種能量密度的提升或許能帶來突破性進展，最終使電動飛行在大規(guī)模應(yīng)用方面成為可能。

他表示：“要實現(xiàn)真正可行的電動飛行，所需的能量閾值大約為1000瓦時/千克。”目前電動汽車的動力電池最高能量密度約為300瓦時/千克，遠遠達不到所需的水平。即便達到1000瓦時/千克，也無法滿足飛機跨大陸或跨大洋飛行的需求。

蔣業(yè)明稱，這種燃料電池所實現(xiàn)的能量密度與氫燃料電池在航空推進方面的潛力類似，雖然能比鋰離子電池實現(xiàn)更長的飛行距離，但被認為僅適用于區(qū)域航空，不適用于洲際飛行。這類航程范圍的飛行“約占國內(nèi)航班的80%，以及航空業(yè)排放量的30%?！?/p>

這項技術(shù)還可能為海運和鐵路運輸?shù)绕渌I(lǐng)域提供動力?！八鼈兌夹枰獦O高的能量密度，而且都需要低成本?！彼f道?！斑@就是我們選擇鈉-空氣燃料電池的原因?！?/p>

在過去30年里，人們投入了大量的精力來研發(fā)鋰-空氣電池或鈉-空氣電池，但要使它們實現(xiàn)完全可充電一直是個難題?！叭藗冊缇椭澜饘倏諝怆姵厮苓_到的能量密度，而且這一特性極具吸引力，但一直未能在實際應(yīng)用中得以實現(xiàn)，”蔣業(yè)明說道。

MIT鈉燃料電池研發(fā)團隊主要成員。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 來源：Gretchen Ertl

該團隊制作了該系統(tǒng)實驗室規(guī)模原型的兩種不同版本。其中一種被稱為“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。

一個被稱為“流體電池（flow cell）”的實驗室規(guī)模原型 圖片來源：Gretchen Ertl

在第二種原型設(shè)計方案中，有助于反應(yīng)進行的多孔空氣電極固定在托盤底部，反應(yīng)室呈水平狀，有一個裝有電解質(zhì)材料的托盤來存放液態(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1700瓦時——遠遠超過了目標的1000瓦時標準。

由于鈉在約98攝氏度時會變成液體，所以這些裝置在110攝氏度至130攝氏度的中等溫度下運行，這種溫度對于在飛機或船上使用來說是可行的。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存，并且通常需要在極低的溫度下進行儲存。

一小瓶液態(tài)鈉金屬 來源：Gretchen Ertl

研究人員發(fā)現(xiàn)，空氣濕度對于使電化學(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)物更容易通過系統(tǒng)中的空氣流動被清除。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形成的固體排放物截然不同?！?/p>

“我們在設(shè)計電極時借鑒了燃料電池研究的經(jīng)驗，同時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??！彼_伊赫·甘蒂-阿格拉瓦爾表示，這促成了團隊所取得的“性能大幅提升”。

不花錢還讓碳排放為負值

研究人員設(shè)想，在飛機上像堆疊餐廳托盤一樣堆疊燃料電池。隨著鈉金屬在提供電力時會發(fā)生化學(xué)變化而被消耗，會有一種類似噴氣式飛機尾氣的副產(chǎn)品被排出。

但有一個很大的不同之處，這種尾氣中不會有二氧化碳。排放物是氧化鈉（NaO），這種化合物會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，碳酸鈉進而會形成碳酸氫鈉，也就是我們熟知的小蘇打。

“當你以鈉金屬為起始材料時，就會發(fā)生一系列自然的化學(xué)反應(yīng)。”蔣說道，“這一切都是自發(fā)進行的。我們無需做任何干預(yù)，只需讓飛機起飛即可?！?/p>

此外，還有一個好處是，如果最終產(chǎn)物碳酸氫鈉最終進入海洋，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，從而抵消溫室氣體帶來的破壞性影響。這些解決方案已被認為是應(yīng)對氣候變化的有效方法，但由于成本過高而尚未得到實施?！暗谶@里，它是副產(chǎn)品，”蔣業(yè)明解釋道，所以它實際上是免費的，能帶來環(huán)境效益且無需成本。

更安全便宜且易于補充

“這是一個頗具創(chuàng)意的電池設(shè)計理念，”德國吉森大學(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）說道。他并未參與此項研究，但此前確實進行過關(guān)于鈉-空氣電池的研究，他認為將這種化學(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)鍵問題之一就是安全性?！闭部苏f道，因為與鋰金屬一樣，鈉金屬的化學(xué)活性極高，如果接觸到水分就會自行燃燒。當被問及這個問題時，蔣業(yè)明說：“只要是高能量密度的電池，安全性始終是個問題，因為如果將兩種反應(yīng)物隔開的膜破裂，就可能會引發(fā)失控反應(yīng)?！?/p>

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)過精心設(shè)計，它能夠?qū)⑷剂吓c空氣隔離開，需要能量時才進行反應(yīng)，降低了失控反應(yīng)的風(fēng)險。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)，進一步提升了安全性。

要生產(chǎn)出足夠的鈉金屬，才能讓這項技術(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，因為這種材料此前曾大規(guī)模生產(chǎn)過。在含鉛汽油盛行時期，鈉金屬就被用于制造添加劑四乙基鉛（tetraethyl lead），當時美國年產(chǎn)量達到了20萬噸?！斑@讓我們想起，鈉金屬曾經(jīng)在美國大規(guī)模生產(chǎn)，并且得到了安全的處理和配送?！笔Y業(yè)明說道。

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

明年開啟無人機飛行測試

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

研究團隊的成員已經(jīng)成立了一家名為Propel Aero的公司，致力于將這項研究商業(yè)化，公司目前已入駐MIT創(chuàng)業(yè)孵化器 The Engine。該項目獲得了美國能源部高級研究計劃局（ARPA-E）Propel-1K項目的資助，以及突破能源聯(lián)盟（Breakthrough Energy Ventures）和美國國家科學(xué)基金會（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）。

接下來的步驟是繼續(xù)進行研究，以提高電池的性能和能量密度，并開始設(shè)計小型系統(tǒng)。該團隊計劃先制造一個磚頭大小的燃料電池，能提供約為1000瓦時電量，足以為大型無人機提供動力。該團隊希望在明年內(nèi)準備好這樣一個演示產(chǎn)品。

目前這項技術(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：“這項技術(shù)或許不會在明年實現(xiàn)飛行應(yīng)用，但它展現(xiàn)了未來十年電動航空發(fā)展的重要潛力。”