如果你曾開車沿著5號公路從洛杉磯北上舊金山, 那麼你極有可能會在途中遇到一座大型風力發電場, 這是加州最具代表性的艾塔風能中心(The Alta Wind Energy Center). 2013年以前, 它也是美國最大的風能發電廠.
事實上, 如果你選擇不同的路線, 那麼一路北上過程中還有機會遇到幾所各具特色的風能發電廠. 加州是美國最早大規模發展風能發電和太陽能發電的地區之一, 也是美國清潔能源的研發急先鋒. 2025年前, 加州致力於實現50%的用電來自於可持續能源.
以風能和太陽能為代表的可再生清潔能源是緩解全球性資源緊缺, 氣候變化和環境汙染困局的不二良方. 美中不足的是, 太陽能和風能都屬於間歇能源, 一片雲都可能影響太陽能面板發電的穩定性. 與此同時, 由於缺乏高效的大規模儲能設備, 全世界範圍內風能和太陽能的浪費也極為嚴重. 因此, 電池等電化學儲能器件的研究, 極為關鍵.
4月30日, 在《自然》雜誌旗下的《自然-能源》上刊發的一篇學術文章, 引起全球能源界巨大關注. 來自斯坦福大學的一項最新研究成果為大規模儲能帶來新希望. 該校材料系著名華裔教授崔屹實驗組發明的新型水電池——錳氫氣電池(Mn-H)——可迴圈使用超過1萬次!其低成本, 長壽命, 高能量密度的潛在性能將有望在大規模儲能領域帶來巨大變革.
一直鼓勵新能源發展技術研發的諾貝爾獎得主, 前美國能源部部長, 現斯坦福大學教授朱棣文(Steven Chu)對上述研究成果的進一步完善充滿期待. 他表示, '雖然精確的材料和設計仍需進一步研發, 但這一原型展示了獲得廉價, 耐用的大規模儲能電池的科學和工程新方法' .
在論文發表次日(5月1日), 美國中文電視, 美國中文網記者第一時間探訪了斯坦福大學材料系崔屹實驗室, 搶先了解到這款新型電池的更多細節.
崔屹實驗室博士後研究員陳維展示電池原型
圖片來自斯坦福官網
這個原型約3英寸高的新型錳氫氣電池目前僅可產生大約20毫瓦時(mWh)的電量, 這與掛在鑰匙圈上的LED閃燈的能量水平差不多. 儘管如此, 但實驗人員相信, 這個原創技術在進一步完善之後將有望在不久的將來實現大規模儲能的產業化應用. 該課題組帶頭人, 斯坦福大學材料系教授崔屹表示: '我們相信這個原型技術將會達到能源部對大規模儲能的實用性目標. '
按照目前美國能源部的建議, 可用於大規模儲能的電池需滿足以下幾個條件: 在一小時內可充放的能量不低於20千瓦, 至少能夠支援5千次充放電, 且使用壽命不短於10年. 從實用角度來說, 滿足上述條件的電池的價格不應高於2000美元, 也就是存儲每千瓦時能量的價格低於100美元.
為了達到這一目標, 不同領域的科學家們進行了各式各樣的嘗試. 在大規模儲能領域, 已經嶄露頭角的電池體系不少, 包括鋰離子電池, 鉛酸電池, 液流電池, 鈉硫電池, 液態金屬電池等等. 然而, 這些電池不是能量密度偏低, 迴圈壽命短, 就是成本太高, 工作條件苛刻, 在實際應用方面還有很長的路要走.
能量密度
鉛酸電池: 30-50 Wh/kg, 流體電池: <50 Wh/l.
迴圈壽命
鉛酸電池: <500次, 钠硫电池: <1500次.
封裝成本
鋰離子電池: ~250$/kWh;鉛酸電池: ~170$/kWh;流體電池: ~450$/kWh
工作溫度
鈉硫電池: 300-350 ℃;液態金屬電池: ﹥450 ℃.
幾種電池體系的主要受限因素對比
有鑒於此, 斯坦福大學材料系的崔屹教授在三年前提出一個新構想——將錳和氫分別用作正負極, 以水做電解質, 在理論上應該能夠實現大規模儲能在能量密度, 使用壽命和價格等多方面的嚴格要求.
崔屹教授接受美國中文網採訪
美國中文網官子俊攝
崔屹(左)與學生在實驗室
崔屹, 是全球納米材料領域的領軍者之一, 現任斯坦福大學教授. 他同時也是斯坦福SLAC美國國家加速器實驗室教授和Precourt能源研究所高級研究員.
崔屹還是Stanford Bio-X和斯坦福大學神經科學研究所的成員. 在崔屹教授指導下, 其在斯坦福大學的中國籍博士後研究員陳維對此進行了長達三年多的探索和實驗測試. '我們需要對氫氣電池裝置和各項參數進行反覆調試, 以不斷優化實驗結果' , 陳維表示, '相關的實驗做了不下1000次' , 終於得到了一個優化的裝置和測試條件, 獲得了優異的電池性能. 這意味著, 新研發的這款電池可以在反覆充放電10000次後依然沒有明顯衰變. 這相當於電池壽命在現有主要儲能方式的基礎上實現了一個數量級的提升.
Mn-H電池電化學性能
崔屹課題組發表在《自然-能源》上的相關文章
陳維接受美國中文網採訪
美國中文網官子俊攝
'技術還處於試驗階段' , 崔屹教授告訴美國中文網, 其課題組正在對實驗原型進行進一步的優化, 這些優化主要集中在兩方面, 一是提高電池的能量密度, 一是降低電池的成本. 比如, 在早前實驗中使用鉑作催化劑, 需要找到更便宜的替代品. 在獲得優化之後, 課題組將繼續進行相關中試和大規模試驗. 在一向注重產學研一體化的斯坦福大學的鼓勵下, 崔屹教授已經取得相關專利, 並已經設立公司, 籌備產業化.
'全球大規模儲能市場規模高達萬億美元' , 在崔屹看來, 一旦Mn-H電池能夠如預期實現產業化應用, 那麼將使得清潔能源入網更為穩定, 並對社會經濟發展帶來重要促進. 大到清潔能源電廠, 小到居民小區和家庭用電都可能從中受益. 比如, 按照目前的實驗數據推測, 儲存可供一個100瓦的燈泡連續使用12個小時的電能的費用僅為1美分.
另一方面, Mn-H電池的產業化應用也將可能使得電動汽車普及進一步逼近. Mn-H電池可以穩定電網為實現這一目標提供了可能性.