近日, 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)——可迴圈充電超過1萬次, 可實現10年以上的穩定性能. 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.
據該成果的第一作者, 美國斯坦福大學材料科學與工程學院的陳維博士介紹, 他們發明的錳氫氣電池使用高表面積的碳作為正極集流體, 易溶於水的硫酸錳鹽作為電解液, 由催化劑控制的氫氣作為負極. 該電池從設計, 充放電原理, 測試方法和性能上都有別於以往任何水系電池.
成果顯示, 錳氫氣電池具有非常優異的電化學性能, 比如穩定的放電電壓1.3伏, 高倍率的放電電流100mA/cm2, 大於1萬次的穩定迴圈, 以及較高的質量能量密度139Wh/kg和體積能量密度210Wh/L. 而且, 該電池很容易放大用於大規模儲能.
大規模儲能是實現可再生能源普及應用的核心技術. 現有的大規模儲能技術(如抽水儲能, 壓縮空氣儲能)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, 遠不能滿足大規模儲能廉價, 安全, 高能量密度和高穩定性的要求. 崔屹表示: '錳氫氣電池的發明將對大規模儲能的格局產生重要影響, 進一步緩解由傳統化石能源帶來的嚴重碳排放和空氣汙染. '
在大規模儲能領域, 為了達到這一目標, 科學家們發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.
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;在循环寿命上, 铅酸电池<500次, 钠硫电池<1500次;在封装成本上, 锂离子电池~250$/kWh, 铅酸电池~170$/kWh, 流体电池~450$/kWh;在工作温度上, 钠硫电池要求300-350 ℃, 液态金属电池要求>450 ℃.
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其價格還不應高於2000美元, 也就是存儲每千瓦時能量的價格應低於100美元.
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. 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. 陳維表示, 對氫氣電池裝置和各項參數進行反覆調試的實驗做了不下1千次後, 他們終於得到了一個優化的裝置和測試條件, 從而獲得了優異的電池性能. 這款新研發的電池可以在反覆充放電1萬次後依然沒有明顯衰變, 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.
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, 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.
崔屹表示, 技術還處於試驗階段, 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, 二是降低電池的成本. 比如, 在早前實驗中使用鉑作催化劑, 現在考慮找到更便宜的替代品. 而在獲得優化之後, 課題組將繼續進行相關中試和大規模試驗. 崔屹教授目前已經取得相關專利, 並已經設立公司, 籌備產業化.
在崔屹看來, 全球大規模儲能市場規模高達萬億美元, 一旦錳氫氣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. 另一方面, 錳氫氣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, 可以穩定電網為實現這一目標提供了可能性.