近日, 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)——可循环充电超过1万次, 可实现10年以上的稳定性能. 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.
据该成果的第一作者, 美国斯坦福大学材料科学与工程学院的陈维博士介绍, 他们发明的锰氢气电池使用高表面积的碳作为正极集流体, 易溶于水的硫酸锰盐作为电解液, 由催化剂控制的氢气作为负极. 该电池从设计, 充放电原理, 测试方法和性能上都有别于以往任何水系电池.
成果显示, 锰氢气电池具有非常优异的电化学性能, 比如稳定的放电电压1.3伏, 高倍率的放电电流100mA/cm 2, 大于1万次的稳定循环, 以及较高的质量能量密度139Wh/kg和体积能量密度210Wh/L. 而且, 该电池很容易放大用于大规模储能.
大规模储能是实现可再生能源普及应用的核心技术. 现有的大规模储能技术 (如抽水储能, 压缩空气储能) 以及各种蓄能电池 (如锂离子电池, 钠硫电池, 液流电池) 等均存在不同的问题, 远不能满足大规模储能廉价, 安全, 高能量密度和高稳定性的要求. 崔屹表示: '锰氢气电池的发明将对大规模储能的格局产生重要影响, 进一步缓解由传统化石能源带来的严重碳排放和空气污染. '
在大规模储能领域, 为了达到这一目标, 科学家们发展出了不少可称有效的电池体系, 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.
几种电池体系的主要受限因素包括, 在能量密度上, 铅酸电池只有30-50 Wh/kg, 流体电池也 <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其价格还不应高于2000美元, 也就是存储每千瓦时能量的价格应低于100美元.
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. 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. 陈维表示, 对氢气电池装置和各项参数进行反复调试的实验做了不下1千次后, 他们终于得到了一个优化的装置和测试条件, 从而获得了优异的电池性能. 这款新研发的电池可以在反复充放电1万次后依然没有明显衰变, 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.
崔屹实验室博士后研究员陈维展示电池原型
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, 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.
崔屹表示, 技术还处于试验阶段, 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, 二是降低电池的成本. 比如, 在早前实验中使用铂作催化剂, 现在考虑找到更便宜的替代品. 而在获得优化之后, 课题组将继续进行相关中试和大规模试验. 崔屹教授目前已经取得相关专利, 并已经设立公司, 筹备产业化.
在崔屹看来, 全球大规模储能市场规模高达万亿美元, 一旦锰氢气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. 另一方面, 锰氢气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, 可以稳定电网为实现这一目标提供了可能性.
