近日，在《自然》雜志旗下的《自然-能源》上刊發(fā)的一篇學(xué)術(shù)文章，引起全球能源界巨大關(guān)注。來自斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)最新研究成果為大規(guī)模儲(chǔ)能帶來新希望。該校材料系著名華裔教授崔屹實(shí)驗(yàn)組發(fā)明的新型水電池——錳氫氣電池(Mn-H)——可循環(huán)充電超過1萬次，可實(shí)現(xiàn)10年以上的穩(wěn)定性能。其低成本、長(zhǎng)壽命、高能量密度的潛在性能將有望在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域帶來巨大變革。

　　

　　據(jù)該成果的第一作者、美國(guó)斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的陳維博士介紹，他們發(fā)明的錳氫氣電池使用高表面積的碳作為正極集流體，易溶于水的硫酸錳鹽作為電解液，由催化劑控制的氫氣作為負(fù)極。該電池從設(shè)計(jì)、充放電原理、測(cè)試方法和性能上都有別于以往任何水系電池。

 

　　成果顯示，錳氫氣電池具有非常優(yōu)異的電化學(xué)性能，比如穩(wěn)定的放電電壓1.3伏，高倍率的放電電流100mA/cm2，大于1萬次的穩(wěn)定循環(huán)，以及較高的質(zhì)量能量密度139Wh/kg和體積能量密度210Wh/L。而且，該電池很容易放大用于大規(guī)模儲(chǔ)能。

 

　　大規(guī)模儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)可再生能源普及應(yīng)用的核心技術(shù)�，F(xiàn)有的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)(如抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能)以及各種蓄能電池(如鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池)等均存在不同的問題，遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模儲(chǔ)能廉價(jià)、安全、高能量密度和高穩(wěn)定性的要求。崔屹表示：“錳氫氣電池的發(fā)明將對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能的格局產(chǎn)生重要影響，進(jìn)一步緩解由傳統(tǒng)化石能源帶來的嚴(yán)重碳排放和空氣污染。”

 

　　在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域，為了達(dá)到這一目標(biāo)，科學(xué)家們發(fā)展出了不少可稱有效的電池體系，包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、液態(tài)金屬電池等等。然而，這些電池不是能量密度偏低，循環(huán)壽命短，就是成本太高、工作條件苛刻，在實(shí)際應(yīng)用方面還有很長(zhǎng)的路要走。

 

　　幾種電池體系的主要受限因素包括，在能量密度上，鉛酸電池只有30—50 Wh/kg，流體電池也<50 Wh/l;在循環(huán)壽命上，鉛酸電池<500次，鈉硫電池<1500次;在封裝成本上，鋰離子電池~250$/kWh，鉛酸電池~170$/kWh，流體電池~450$/kWh;在工作溫度上，鈉硫電池要求300—350 ℃，液態(tài)金屬電池要求>450 ℃。

 

　　按照目前美國(guó)能源部的建議，可用于大規(guī)模儲(chǔ)能的電池需滿足以下幾個(gè)條件：在一小時(shí)內(nèi)可充放的能量不低于20千瓦，至少能夠支持5千次充放電，且使用壽命不短于10年。從實(shí)用角度來說，滿足上述條件的電池其價(jià)格還不應(yīng)高于2000美元，也就是存儲(chǔ)每千瓦時(shí)能量的價(jià)格應(yīng)低于100美元。

 

　　崔屹教授在三年前提出一個(gè)新構(gòu)想——將錳和氫分別用作正負(fù)極，以水做電解質(zhì)，在理論上應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能在能量密度、使用壽命和價(jià)格等多方面的嚴(yán)格要求。在崔屹教授指導(dǎo)下，其在斯坦福大學(xué)的中國(guó)籍博士后研究員陳維對(duì)此進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)三年多的探索和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。陳維表示，對(duì)氫氣電池裝置和各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試的實(shí)驗(yàn)做了不下1000次后，他們終于得到了一個(gè)優(yōu)化的裝置和測(cè)試條件，從而獲得了優(yōu)異的電池性能。這款新研發(fā)的電池可以在反復(fù)充放電10000次后依然沒有明顯衰變，電池壽命在現(xiàn)有主要儲(chǔ)能方式的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。

 

　　這個(gè)原型約3英寸高的新型錳氫氣電池目前僅可產(chǎn)生大約20毫瓦時(shí)(mWh)的電量，這與掛在鑰匙圈上的LED閃燈的能量水平差不多。盡管如此，實(shí)驗(yàn)人員相信，這個(gè)原創(chuàng)技術(shù)在進(jìn)一步完善之后將有望在不久的將來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

 

　　崔屹表示，技術(shù)還處于試驗(yàn)階段，其課題組正在對(duì)實(shí)驗(yàn)原型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，這些優(yōu)化主要集中在兩方面，一是提高電池的能量密度，二是降低電池的成本。比如，在早前實(shí)驗(yàn)中使用鉑作催化劑，現(xiàn)在考慮找到更便宜的替代品。而在獲得優(yōu)化之后，課題組將繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)中試和大規(guī)模試驗(yàn)。崔屹教授目前已經(jīng)取得相關(guān)專利，并已經(jīng)設(shè)立公司，籌備產(chǎn)業(yè)化。

 

　　在崔屹看來，全球大規(guī)模儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模高達(dá)萬億美元，一旦錳氫氣電池能夠如預(yù)期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，那么將使得清潔能源入網(wǎng)更為穩(wěn)定，并對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來重要促進(jìn)。大到清潔能源電廠、小到居民小區(qū)和家庭用電都可能從中受益。另一方面，錳氫氣電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也將可能使得電動(dòng)汽車普及進(jìn)一步逼近，可以穩(wěn)定電網(wǎng)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了可能性。