如果你曾开车沿着5号公路从洛杉矶北上旧金山, 那么你极有可能会在途中遇到一座大型风力发电场, 这是加州最具代表性的艾塔风能中心(The Alta Wind Energy Center). 2013年以前, 它也是美国最大的风能发电厂.
事实上, 如果你选择不同的路线, 那么一路北上过程中还有机会遇到几所各具特色的风能发电厂. 加州是美国最早大规模发展风能发电和太阳能发电的地区之一, 也是美国清洁能源的研发急先锋. 2025年前, 加州致力于实现50%的用电来自于可持续能源.
以风能和太阳能为代表的可再生清洁能源是缓解全球性资源紧缺, 气候变化和环境污染困局的不二良方. 美中不足的是, 太阳能和风能都属于间歇能源, 一片云都可能影响太阳能面板发电的稳定性. 与此同时, 由于缺乏高效的大规模储能设备, 全世界范围内风能和太阳能的浪费也极为严重. 因此, 电池等电化学储能器件的研究, 极为关键.
4月30日, 在《自然》杂志旗下的《自然-能源》上刊发的一篇学术文章, 引起全球能源界巨大关注. 来自斯坦福大学的一项最新研究成果为大规模储能带来新希望. 该校材料系著名华裔教授崔屹实验组发明的新型水电池——锰氢气电池(Mn-H)——可循环使用超过1万次!其低成本, 长寿命, 高能量密度的潜在性能将有望在大规模储能领域带来巨大变革.
一直鼓励新能源发展技术研发的诺贝尔奖得主, 前美国能源部部长, 现斯坦福大学教授朱棣文(Steven Chu)对上述研究成果的进一步完善充满期待. 他表示, '虽然精确的材料和设计仍需进一步研发, 但这一原型展示了获得廉价, 耐用的大规模储能电池的科学和工程新方法' .
在论文发表次日(5月1日), 美国中文电视, 美国中文网记者第一时间探访了斯坦福大学材料系崔屹实验室, 抢先了解到这款新型电池的更多细节.
崔屹实验室博士后研究员陈维展示电池原型
图片来自斯坦福官网
这个原型约3英寸高的新型锰氢气电池目前仅可产生大约20毫瓦时(mWh)的电量, 这与挂在钥匙圈上的LED闪灯的能量水平差不多. 尽管如此, 但实验人员相信, 这个原创技术在进一步完善之后将有望在不久的将来实现大规模储能的产业化应用. 该课题组带头人, 斯坦福大学材料系教授崔屹表示: '我们相信这个原型技术将会达到能源部对大规模储能的实用性目标. '
按照目前美国能源部的建议, 可用于大规模储能的电池需满足以下几个条件: 在一小时内可充放的能量不低于20千瓦, 至少能够支持5千次充放电, 且使用寿命不短于10年. 从实用角度来说, 满足上述条件的电池的价格不应高于2000美元, 也就是存储每千瓦时能量的价格低于100美元.
为了达到这一目标, 不同领域的科学家们进行了各式各样的尝试. 在大规模储能领域, 已经崭露头角的电池体系不少, 包括锂离子电池, 铅酸电池, 液流电池, 钠硫电池, 液态金属电池等等. 然而, 这些电池不是能量密度偏低, 循环寿命短, 就是成本太高, 工作条件苛刻, 在实际应用方面还有很长的路要走.
能量密度
铅酸电池: 30-50 Wh/kg, 流体电池: <50 Wh/l.
循环寿命
铅酸电池: <500次, 钠硫电池: <1500次.
封装成本
锂离子电池: ~250$/kWh;铅酸电池: ~170$/kWh;流体电池: ~450$/kWh
工作温度
钠硫电池: 300-350 ℃;液态金属电池: ﹥450 ℃.
几种电池体系的主要受限因素对比
有鉴于此, 斯坦福大学材料系的崔屹教授在三年前提出一个新构想——将锰和氢分别用作正负极, 以水做电解质, 在理论上应该能够实现大规模储能在能量密度, 使用寿命和价格等多方面的严格要求.
崔屹教授接受美国中文网采访
美国中文网官子俊摄
崔屹(左)与学生在实验室
崔屹, 是全球纳米材料领域的领军者之一, 现任斯坦福大学教授. 他同时也是斯坦福SLAC美国国家加速器实验室教授和Precourt能源研究所高级研究员.
崔屹还是Stanford Bio-X和斯坦福大学神经科学研究所的成员. 在崔屹教授指导下, 其在斯坦福大学的中国籍博士后研究员陈维对此进行了长达三年多的探索和实验测试. '我们需要对氢气电池装置和各项参数进行反复调试, 以不断优化实验结果' , 陈维表示, '相关的实验做了不下1000次' , 终于得到了一个优化的装置和测试条件, 获得了优异的电池性能. 这意味着, 新研发的这款电池可以在反复充放电10000次后依然没有明显衰变. 这相当于电池寿命在现有主要储能方式的基础上实现了一个数量级的提升.
Mn-H电池电化学性能
崔屹课题组发表在《自然-能源》上的相关文章
陈维接受美国中文网采访
美国中文网官子俊摄
'技术还处于试验阶段' , 崔屹教授告诉美国中文网, 其课题组正在对实验原型进行进一步的优化, 这些优化主要集中在两方面, 一是提高电池的能量密度, 一是降低电池的成本. 比如, 在早前实验中使用铂作催化剂, 需要找到更便宜的替代品. 在获得优化之后, 课题组将继续进行相关中试和大规模试验. 在一向注重产学研一体化的斯坦福大学的鼓励下, 崔屹教授已经取得相关专利, 并已经设立公司, 筹备产业化.
'全球大规模储能市场规模高达万亿美元' , 在崔屹看来, 一旦Mn-H电池能够如预期实现产业化应用, 那么将使得清洁能源入网更为稳定, 并对社会经济发展带来重要促进. 大到清洁能源电厂, 小到居民小区和家庭用电都可能从中受益. 比如, 按照目前的实验数据推测, 储存可供一个100瓦的灯泡连续使用12个小时的电能的费用仅为1美分.
另一方面, Mn-H电池的产业化应用也将可能使得电动汽车普及进一步逼近. Mn-H电池可以稳定电网为实现这一目标提供了可能性.