新型燃料電池每公斤所儲(chǔ)能量可能是當(dāng)今最好的電動(dòng)汽車電池的三倍，為卡車、飛機(jī)或船舶提供了一種輕量化的動(dòng)力選擇。
電池在一定重量下可以存儲(chǔ)的電量，正在逐漸接近極限。這對(duì)于能源創(chuàng)新以及探索飛機(jī)、火車和船舶新型動(dòng)力解決方案構(gòu)成了重大障礙。目前，麻省理工學(xué)院和來自其他地方的研究人員合作提出了一種可以幫助這些交通系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣化的解決方案。
這并非是普通的電池，而是一種新型燃料電池——與普通電池類似，不過不需充電，而是可以快速補(bǔ)充燃料。在這里，所用燃料是液態(tài)金屬鈉這種廉價(jià)易得的商品。電池外面是作為氧原子來源的普通空氣。燃料與空氣之間是一層作為電解質(zhì)的固態(tài)陶瓷材料，鈉離子可從中自由通過；外側(cè)多孔電極則讓鈉與氧氣得以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電力。
通過一系列原型實(shí)驗(yàn)，研究人員成功證明這種電池每單位重量可攜帶的能量，是當(dāng)今幾乎所有電動(dòng)汽車所用鋰離子電池的三倍以上。這一研究結(jié)果日前已發(fā)表在《焦耳》（Joule）雜志上，作者包括麻省理工學(xué)院博士生KarenSugano、SunilMair和SaahirGanti-Agrawal，材料科學(xué)與工程教授Yet-MingChiang及其他五人。
“我們料想到人們會(huì)認(rèn)為這是一個(gè)很瘋狂的想法，”京瓷陶瓷蔣教授說。“如果他們不這么認(rèn)為的話，我反而會(huì)有點(diǎn)失望，因?yàn)槿绻藗円婚_始不覺得某件事是瘋狂的，那它可能就不那么具有革命性?！?/span>
他表示，這項(xiàng)技術(shù)未來很可能會(huì)相當(dāng)具有革命性。特別是在對(duì)重量非常敏感的航空領(lǐng)域，這種能量密度的提升可能會(huì)是一個(gè)突破，最終有望使大規(guī)模電動(dòng)飛行成為可能。
“若想應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)中的電動(dòng)航空，門檻大約是每公斤1千瓦時(shí)，”蔣教授說到。而目前電動(dòng)汽車中的鋰離子電池最高僅為約每公斤0.3千瓦時(shí)，這遠(yuǎn)未達(dá)到所需指標(biāo)。他表示，即便達(dá)到了每公斤1千瓦時(shí)，也并不足以實(shí)現(xiàn)跨大陸或跨大西洋飛行。
對(duì)于任何已知的化學(xué)電池來說，這仍是遙不可及的。但蔣教授表示，若能達(dá)到每公斤1千瓦時(shí)，將使區(qū)域性電動(dòng)航空成為可能，而這類飛行約占國內(nèi)航班的80%和航空排放量的30%。
這項(xiàng)技術(shù)也能助力其他行業(yè)，包括海運(yùn)和鐵路運(yùn)輸?！斑@些行業(yè)都需要非常高的能量密度，而且都需要低成本，”他說道。“這正是鈉金屬吸引我們的地方。”
過去三十年里，有大量精力被投入到了鋰空氣或鈉空氣電池的研究當(dāng)中，但其始終難以實(shí)現(xiàn)完全的可充電?！叭藗兒茉缇鸵庾R(shí)到了金屬空氣電池可以達(dá)到的能量密度，這極具吸引力，但卻從未將其實(shí)現(xiàn)過，”蔣教授說到。
研究人員通過運(yùn)用相同的基本電化學(xué)概念，僅將其改為燃料電池而非普通電池，即可以實(shí)用的形式獲得具有優(yōu)勢(shì)的高能量密度。不同于將載能材料組裝后即密封在容器中的普通電池，燃料電池的載能材料是可以反復(fù)進(jìn)出的。
該團(tuán)隊(duì)制作了兩種不同版本的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模系統(tǒng)原型。一種稱為H型電池，兩根垂直玻璃管由一根橫跨中間的管子連接，管子內(nèi)含固體陶瓷電解質(zhì)材料和多孔空氣電極。液態(tài)鈉金屬填充在管子的一側(cè)，空氣流過另一側(cè)，為中心的電化學(xué)反應(yīng)提供氧氣，最終逐漸消耗鈉燃料。另一個(gè)原型采用水平設(shè)計(jì)，用一個(gè)裝有電解質(zhì)材料的托盤盛放液態(tài)鈉燃料。促進(jìn)反應(yīng)的多孔空氣電極固定在托盤底部。
蔣教授說，通過測(cè)試嚴(yán)格控制濕度的氣流，單個(gè)“電池堆”的發(fā)電量超過每公斤1500瓦時(shí)，在整個(gè)系統(tǒng)層面就可使發(fā)電量超過1000瓦時(shí)。
研究人員設(shè)想，在飛機(jī)上應(yīng)用該系統(tǒng)時(shí)，包含電池堆（像自助餐廳里的餐盤架一樣）的燃料包將被插入燃料電池中；這些包內(nèi)的金屬鈉在提供電力時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。產(chǎn)生的化學(xué)副產(chǎn)品會(huì)從飛機(jī)尾部排出，類似于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣。
但兩者有一個(gè)非常大的區(qū)別：燃料電池不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳排放。相反，這些由氧化鈉組成的排放物實(shí)際上會(huì)吸收大氣中的二氧化碳。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（一種常用于排水管清潔劑的物質(zhì)），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，碳酸鈉又會(huì)形成碳酸氫鈉，即小蘇打。
“從金屬鈉開始，就會(huì)發(fā)生一系列自然的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，”蔣教授說?！耙磺卸紩?huì)自然發(fā)生。我們不需對(duì)其有任何操作，只要把飛機(jī)開好即可。”
另外一個(gè)好處是，如果最終的副產(chǎn)品碳酸氫鈉進(jìn)入海洋，它可以幫助降低水的酸度，抵消溫室氣體的另一個(gè)破壞性影響。
已有人建議使用氫氧化鈉來捕獲二氧化碳，作為一種碳減排的方法，但就其本身而言，由于該化合物過于昂貴，這并非是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的解決方案?！暗谶@種情況下，作為一種副產(chǎn)品，它完全是免費(fèi)的，能夠在不增加成本的條件下產(chǎn)生環(huán)境效益，”蔣教授解釋說。
他還表示，重要的是這種新型燃料電池本質(zhì)上比許多其他類型的電池更安全。鈉金屬的反應(yīng)性極強(qiáng)，必須得到妥善保護(hù)。與鋰電池一樣，鈉如果暴露在潮濕環(huán)境中會(huì)發(fā)生自燃。“無論什么時(shí)候，面對(duì)一種能量密度極高的電池，安全性總是需要關(guān)心的一大問題，因?yàn)橐坏﹥煞N反應(yīng)物間的隔膜破裂，就可能導(dǎo)致反應(yīng)失控，”蔣教授說到。但在這種燃料電池中，一側(cè)完全是空氣，“稀薄且有限。因此，你不會(huì)看到緊挨在一起的兩種高濃度反應(yīng)物。如果你追求極高的能量密度，出于安全原因，你也會(huì)更傾向于選擇燃料電池而非普通電池?！?/span>
雖然該設(shè)備目前僅為一個(gè)小的單體電池原型，但蔣教授表示，該系統(tǒng)應(yīng)該很容易擴(kuò)大到實(shí)用尺寸，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。研究團(tuán)隊(duì)成員已成立了一家名為PropelAero的公司來開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。該公司目前位于麻省理工學(xué)院的初創(chuàng)企業(yè)孵化器“TheEngine”內(nèi)。
生產(chǎn)足夠的金屬鈉，使這項(xiàng)技術(shù)在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，應(yīng)該是切實(shí)可行的，因?yàn)檫@種材料以前也曾被大規(guī)模生產(chǎn)過。在含鉛汽油被淘汰之前，金屬鈉曾被用來制造添加劑四乙基鉛，而美國當(dāng)時(shí)的年產(chǎn)能可達(dá)20萬噸?！斑@提醒我們，金屬鈉也曾被大規(guī)模生產(chǎn)，并在美國各地安全地處理和運(yùn)輸，”蔣教授說到。
此外，金屬鈉的主要來源是氯化鈉，即鹽，因此它儲(chǔ)量豐富，廣泛分布在世界各地，且易于提取，不同于當(dāng)今電動(dòng)汽車電池中使用的鋰和其他材料。
他們所設(shè)想的系統(tǒng)包含一個(gè)可重復(fù)填充的燃料盒，裝滿液態(tài)鈉金屬，并將其密封。鈉金屬耗盡后，將被送回加注站，重新注入新的鈉。鈉的熔點(diǎn)為98攝氏度，略低于水的沸點(diǎn)，因此很容易加熱到熔點(diǎn)來給燃料盒重新加注。
最初的計(jì)劃是生產(chǎn)一個(gè)磚塊大小的燃料電池，可提供約1千瓦時(shí)的電能，足以驅(qū)動(dòng)一架可用于如農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的大型無人機(jī)，以驗(yàn)證該概念的實(shí)際應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在明年內(nèi)完成此演示。
菅野（Sugano）在其博士論文中做了大量的實(shí)驗(yàn)工作，現(xiàn)在也將就職于這家初創(chuàng)公司。她表示，一個(gè)關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是水分在此過程中的重要性。她先用純氧，然后用空氣測(cè)試該裝置，發(fā)現(xiàn)空氣中的濕度對(duì)于提高電化學(xué)反應(yīng)效率至關(guān)重要。潮濕的空氣導(dǎo)致鈉以液態(tài)而非固態(tài)的形式產(chǎn)生放電產(chǎn)物，這使得這些產(chǎn)物更容易通過系統(tǒng)中的氣流去除?！瓣P(guān)鍵在于，我們可以形成這種液態(tài)放電產(chǎn)物，并且可以輕松地將其去除，這與干燥條件下形成的固態(tài)放電截然不同，”她說道。
甘蒂-阿格拉瓦爾（GantiAgrawal）提到，該團(tuán)隊(duì)汲取了多個(gè)工程子領(lǐng)域的知識(shí)。例如，目前已有大量關(guān)于高溫鈉的研究，但尚未開發(fā)出濕度可控的系統(tǒng)。他表示，“我們?cè)陔姌O設(shè)計(jì)方面借鑒了燃料電池的研究成果，也借鑒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?，”這最終幫助團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了燃料電池“性能上的巨大提升”。