现有的储能技术一直由于所用材料本身的局限性一直止步不前, 这就需要另觅出路找到新的储能系统, 而它最需要解决的无非是最基本的连个问题: 延长寿命, 降低成本. 近日, MIT材料科学与工程系教授Donald Sadoway在《麻省理工科技评论》和Deeptech深科技举办的EmTech China峰会上公开了他们正在研发的一款液态金属电池.
据其介绍, 在室温之下, 这款产品寿命为4年, 它可以做到超过4,000次的充放电——相当于每天充放电一次可以使用10年, 并且依然能保有原始容量的99%, 电池损耗率非常低.
Sadoway表示, 预计到2019年年底, 第一批产品将交付给客户.
以下为Donald Sadoway演讲内容实录:
我想和大家谈的是储能方面的创新, 以及储能与其它一些领域的创新有何不同. 和业界的做法不同的是, 我们做事情多了些学院派的色彩, 也就是说, 我们现在所做的事情, 可能是以前人们从来没有做过的.
那既然我们想要变革现有的整个行业, 必然会耗费巨大的成本, 所以我们需要在研究的阶段就开始考虑控制成本的问题.
对于现代社会来讲, 电力往往和现代化紧密挂钩, 所以电力网络就显得格外重要, 我甚至可以说电力网络就是世界上最大的供应链, 而且要求零库存.
(如上图所示, 地区上大部分地区都被黑夜笼罩, 显然那里急需电力供应)
但要解决这个问题, 就势必要涉及到储能的广泛应用. 比如对于太阳能, 风能这些可再生能源来说, 它们普遍都具有间歇性供应的问题, 所以如果要更好地发挥它们的效能, 就必须要有一整套的储能解决方案.
那现有的储能技术发展的如何呢?
现状恐怕并不乐观. 首先是大规模的储能设施并不像我们手机电脑上的电池一样简单, 它必须满足安全稳定运行二三十年, 否则就是一场灾难.
另外, 还必须保证其能够在运行上做到操作足够灵活, 这也是其稳定运行的前提. 还有很重要的一点就是要严格控制生产成本.
在这里插一句, 电池是由一位名叫Alessandro Volta的意大利教授发明的, 在意大利10,000里拉的纸币上印有他的头像. 而且Alessandro Volta教授还有特别值得提的一点, 那就是他证明了一位教授可以将自己的研究转化为有益的社会实践.
这也极大地启发了我所从事的电池研究. 首先, 我意识到, 我需要我的团队一起齐心协力, 另外还有一点, 要从设计伊始就要综合考虑到给制造商提供一定的生产便捷性.
但我们也在研发过程中受到了质疑, 因为对于兆瓦级别的大型发电厂来讲, 小小的一枚电池似乎怎么看都不太能满足他们的储能需求, 就更不要提改变世界了. 的确也有电池行业内的人说我们是疯了, 但我想说的是, 不要只着眼于固有的行业和已有的发明, 一定要有创新.
所以我就把目光投向了电解铝行业, 他们通常都配有很大的设备, 一天24小时不间断工作, 而规模效应会带来成本的降低, 他们获取1千克铝的成本不足1美元. 受此启发, 我们将电解铝的步骤逆向操作, 发明了液态金属电池, 就可以实现大规模且廉价的电力存储. 这就是我们以不同的视角去看待问题所带来的好处.
(液态金属电池结构, 最底层是液态锑, 中层是熔盐电解质, 上层是液态镁, 熔盐处在两层液态金属的中间)
我的团队成员, 其中没有任何一个是电池方面的专家, 之前甚至都没有接触过电化学相关的研究, 但他们都是聪明, 没有偏见且无所畏惧的青年才俊, 可以做出杰出的成果.
当然, 进展也并不是一帆风顺的, 一开始的时候, 实验总是失败, 但经过几年的研究之后, 我们创造了奇迹, 我相信二三十年之后, 我们一定能够做出更多的成绩.
最后, 谈一下我们的电池的效能, 我们检测了1000多种电池, 它们的成本都是非常低的. 我们也取得了很多的科学成就, 我们于一周前发表于《Nature Energy》的一篇文章, 里面记录了我们的一些进展.
可以说, 我们的电池是非常特别的, 它有很长的循环寿命, 而且它的容量十分稳定. 从下面这张图表可以看出, 随着使用时间的延长, 整个电池的损耗率也是非常低的, 即便每一天都进行充放电操作, 持续使用10年之后依然可以确保它能够保持初始容量的99%.
在取得了技术上的突破之后, 我和我的学生们一起成立了一家公司AMBRI来专门生产液态金属电池. 我们获得了来自比尔·盖茨的A轮投资, 预计产品将会在两年后面世.
这里透露一下产品的具体信息:
体积为18立方米;
储电量1,000kWh, 功率为350kW;
支持1,000伏直流电;
总重15吨, 合计每千克储能67Wh, 要比锂电池便宜.
在室温之下, 我们的产品的寿命为4年, 但它却可以做到超过4,000次的充放电——相当于每天充放电一次可以使用10年, 而且正如前面所提的, 它可以在经过4,000余次的充放电后依然保有原有容量的99%.
最后, 我想交流一下我的两点思考:
1, 我们要有勇气去走出锂电池的框架, 从中有所借鉴来发明我们自己的储能系统.
2, 我们发现杰出的年轻人能够给我们很多灵感, 激发我们去发明创造新的东西, 只要有理性, 毅力并坚持, 就可以将微弱的可能性, 转换为不可阻挡的突破.
记者: 现在有一些新的材料, 比如说固态电池, 液态电池还有用石墨烯做添加剂的, 您对这些新材料的商业前景是怎么看待的? 2020年之前会不会有一个新材料超过锂电池这样的?
Donald Sadoway: 一个关键词就是它的性价比, 其实就是我们看到, 这么多年来, 有新材料不断涌现. 目前我们用的主流锂电池, 最初的发现是1985年, 约翰他们发现的. 后来在1990年的时候, 用了它的另外一种变种石墨烯. 目前来讲, 在性价比上, 它的表现是最好的.
但是, 你提到的那些新的材料, 包括还有我们没有听说过的, 最后却销声匿迹了, 什么原因呢? 就是因为成本太高, 无法广泛使用, 石墨烯目前也只能小批量的生产.
记者: 中国去年一年新能源汽车的销量一共是77多万多辆, 所以未来几年淘汰下来的动力电池在二次利用或者是储能方面有没有一些建议?
Donald Sadoway: 这个问题里面最重要的还是成本问题. 我们目前主流的锂电池, 其实电池里面的分子, 层次, 结构太复杂了, 可以回收, 但是要把这么复杂的成分提取出来, 循环使用, 这个回收就没有很大的一个经济价值, 还不如不循环利用.
今天演讲也提到了液态金属, 甚至是说它是可以 '永生' 的, 一直可以循环利用. 为什么呢? 因为, 它相对来说结构就比较简单, 即使外面的外壳被腐蚀掉了, 里面的液态金属可以相对容易的提取出来, 放在另一个外壳里面, 就可以循环使用了.
因此, 当我们看到目前人们有这样的一个环保意识, 本身是一件好事, 但我们也要反思, 是不是有的时候我们过度热情了, 或者把循环利用的概念夸大了, 而没有去做综合考量. 今后如果要循环利用, 除非电池结构就不要这么复杂, 能用更加方便, 更加低的成本去回收循环利用, 这个问题才能得到解决.
记者: 您开了一家液态金属电池的公司的商业化进度是怎样的?
Donald Sadoway: 我们公司是2010年成立的, 2011年正式开始运作, 现在已经是7年的时间了, 你可能会想为什么这个商业化的流程这么慢, 那时因为我本身是一个化学老师, 从实验室走到工业化的量产, 这个当中有大量内容需要去学习, 包括电子管理, 能源管理等方面.
也需要高度的可靠性, 也就是说你要达到6σ的管理水平, 100万个部件里面只有一个不达标, 这样的容错度才能被接受, 而不是像实验室1000个里面有1个不达标的标准就可以了.
预计到2019年年底的时候, 也就是说从现在开始还有两年左右的时间, 第一批商业化的产品, 应该是可以交付到客户的手里面了.
记者: 对于液态金属电池的技术, 目前有哪些潜在的客户对你们非常感兴趣, 或者是已经有过接触了?
Donald Sadoway: 的确有不少的客户来询问, 因为大家对这个很感兴趣, 但我们非常的谨慎, 希望不过度拉高客户的预期, 但的确也很有前景.
