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近日，在《自然》雜志旗下的《自然-能源》上刊發(fā)的一篇學(xué)術(shù)文章，引起全球能源界巨大關(guān)注。來自斯坦福大學(xué)的一項最新研究成果為大規(guī)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(fā)明的新型水電池——錳氫氣電池(Mn-H)——可循環(huán)充電超過1萬次，可實現(xiàn)10年以上的穩(wěn)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(guī)模儲能領(lǐng)域帶來巨大變革。
據(jù)該成果的第一作者、美國斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的陳維博士介紹，他們發(fā)明的錳氫氣電池使用高表面積的碳作為正極集流體，易溶于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(shè)計、充放電原理、測試方法和性能上都有別于以往任何水系電池。
成果顯示，錳氫氣電池具有非常優(yōu)異的電化學(xué)性能，比如穩(wěn)定的放電電壓1.3伏，高倍率的放電電流100mA/cm2，大于1萬次的穩(wěn)定循環(huán)，以及較高的質(zhì)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于大規(guī)模儲能。
大規(guī)模儲能是實現(xiàn)可再生能源普及應(yīng)用的核心技術(shù)。現(xiàn)有的大規(guī)模儲能技術(shù)(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(guī)模儲能廉價、安全、高能量密度和高穩(wěn)定性的要求。崔屹表示：“錳氫氣電池的發(fā)明將對大規(guī)模儲能的格局產(chǎn)生重要影響，進一步緩解由傳統(tǒng)化石能源帶來的嚴(yán)重碳排放和空氣污染。”
在大規(guī)模儲能領(lǐng)域，為了達到這一目標(biāo)，科學(xué)家們發(fā)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(tài)金屬電池等等。然而，這些電池不是能量密度偏低，循環(huán)壽命短，就是成本太高、工作條件苛刻，在實際應(yīng)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;在循環(huán)壽命上，鉛酸電池<500次，鈉硫電池<1500次;在封裝成本上，鋰離子電池~250$/kWh，鉛酸電池~170$/kWh，流體電池~450$/kWh;在工作溫度上，鈉硫電池要求300-350 ℃，液態(tài)金屬電池要求>450 ℃。
按照目前美國能源部的建議，可用于大規(guī)模儲能的電池需滿足以下幾個條件：在一小時內(nèi)可充放的能量不低于20千瓦，至少能夠支持5千次充放電，且使用壽命不短于10年。從實用角度來說，滿足上述條件的電池其價格還不應(yīng)高于2000美元，也就是存儲每千瓦時能量的價格應(yīng)低于100美元。
崔屹教授在三年前提出一個新構(gòu)想——將錳和氫分別用作正負極，以水做電解質(zhì)，在理論上應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模儲能在能量密度、使用壽命和價格等多方面的嚴(yán)格要求。在崔屹教授指導(dǎo)下，其在斯坦福大學(xué)的中國籍博士后研究員陳維對此進行了長達三年多的探索和實驗測試。陳維表示，對氫氣電池裝置和各項參數(shù)進行反復(fù)調(diào)試的實驗做了不下1千次后，他們終于得到了一個優(yōu)化的裝置和測試條件，從而獲得了優(yōu)異的電池性能。這款新研發(fā)的電池可以在反復(fù)充放電1萬次后依然沒有明顯衰變，電池壽命在現(xiàn)有主要儲能方式的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了一個數(shù)量級的提升。
這個原型約3英寸高的新型錳氫氣電池目前僅可產(chǎn)生大約20毫瓦時(mWh)的電量，這與掛在鑰匙圈上的LED閃燈的能量水平差不多。盡管如此，實驗人員相信，這個原創(chuàng)技術(shù)在進一步完善之后將有望在不久的將來實現(xiàn)大規(guī)模儲能的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
崔屹表示，技術(shù)還處于試驗階段，其課題組正在對實驗原型進行進一步的優(yōu)化，這些優(yōu)化主要集中在兩方面，一是提高電池的能量密度，二是降低電池的成本。比如，在早前實驗中使用鉑作催化劑，現(xiàn)在考慮找到更便宜的替代品。而在獲得優(yōu)化之后，課題組將繼續(xù)進行相關(guān)中試和大規(guī)模試驗。崔屹教授目前已經(jīng)取得相關(guān)專利，并已經(jīng)設(shè)立公司，籌備產(chǎn)業(yè)化。
在崔屹看來，全球大規(guī)模儲能市場規(guī)模高達萬億美元，一旦錳氫氣電池能夠如預(yù)期實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，那么將使得清潔能源入網(wǎng)更為穩(wěn)定，并對社會經(jīng)濟發(fā)展帶來重要促進。大到清潔能源電廠、小到居民小區(qū)和家庭用電都可能從中受益。另一方面，錳氫氣電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也將可能使得電動汽車普及進一步逼近，可以穩(wěn)定電網(wǎng)為實現(xiàn)這一目標(biāo)提供了可能性。
成果顯示，錳氫氣電池具有非常優(yōu)異的電化學(xué)性能，比如穩(wěn)定的放電電壓1.3伏，高倍率的放電電流100mA/cm2，大于1萬次的穩(wěn)定循環(huán)，以及較高的質(zhì)量能量密度139Wh/kg和體積能量密度210Wh/L。而且，該電池很容易放大用于大規(guī)模儲能。
大規(guī)模儲能是實現(xiàn)可再生能源普及應(yīng)用的核心技術(shù)。現(xiàn)有的大規(guī)模儲能技術(shù)(如抽水儲能、壓縮空氣儲能)以及各種蓄能電池(如鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池)等均存在不同的問題，遠不能滿足大規(guī)模儲能廉價、安全、高能量密度和高穩(wěn)定性的要求。崔屹表示：“錳氫氣電池的發(fā)明將對大規(guī)模儲能的格局產(chǎn)生重要影響，進一步緩解由傳統(tǒng)化石能源帶來的嚴(yán)重碳排放和空氣污染。”
在大規(guī)模儲能領(lǐng)域，為了達到這一目標(biāo)，科學(xué)家們發(fā)展出了不少可稱有效的電池體系，包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、液態(tài)金屬電池等等。然而，這些電池不是能量密度偏低，循環(huán)壽命短，就是成本太高、工作條件苛刻，在實際應(yīng)用方面還有很長的路要走。
幾種電池體系的主要受限因素包括，在能量密度上，鉛酸電池只有30-50 Wh/kg，流體電池也<50 Wh/l;在循環(huán)壽命上，鉛酸電池<500次，鈉硫電池<1500次;在封裝成本上，鋰離子電池~250$/kWh，鉛酸電池~170$/kWh，流體電池~450$/kWh;在工作溫度上，鈉硫電池要求300-350 ℃，液態(tài)金屬電池要求>450 ℃。
按照目前美國能源部的建議，可用于大規(guī)模儲能的電池需滿足以下幾個條件：在一小時內(nèi)可充放的能量不低于20千瓦，至少能夠支持5千次充放電，且使用壽命不短于10年。從實用角度來說，滿足上述條件的電池其價格還不應(yīng)高于2000美元，也就是存儲每千瓦時能量的價格應(yīng)低于100美元。
崔屹教授在三年前提出一個新構(gòu)想——將錳和氫分別用作正負極，以水做電解質(zhì)，在理論上應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模儲能在能量密度、使用壽命和價格等多方面的嚴(yán)格要求。在崔屹教授指導(dǎo)下，其在斯坦福大學(xué)的中國籍博士后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(shù)進行反復(fù)調(diào)試的實驗做了不下1千次后，他們終于得到了一個優(yōu)化的裝置和測試條件，從而獲得了優(yōu)異的電池性能。這款新研發(fā)的電池可以在反復(fù)充放電1萬次后依然沒有明顯衰變，電池壽命在現(xiàn)有主要儲能方式的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了一個數(shù)量級的提升。
崔屹表示，技術(shù)還處于試驗階段，其課題組正在對實驗原型進行進一步的優(yōu)化，這些優(yōu)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(xiàn)在考慮找到更便宜的替代品。而在獲得優(yōu)化之后，課題組將繼續(xù)進行相關(guān)中試和大規(guī)模試驗。崔屹教授目前已經(jīng)取得相關(guān)專利，并已經(jīng)設(shè)立公司，籌備產(chǎn)業(yè)化。
在崔屹看來，全球大規(guī)模儲能市場規(guī)模高達萬億美元，一旦錳氫氣電池能夠如預(yù)期實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，那么將使得清潔能源入網(wǎng)更為穩(wěn)定，并對社會經(jīng)濟發(fā)展帶來重要促進。大到清潔能源電廠、小到居民小區(qū)和家庭用電都可能從中受益。另一方面，錳氫氣電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也將可能使得電動汽車普及進一步逼近，可以穩(wěn)定電網(wǎng)為實現(xiàn)這一目標(biāo)提供了可能性。
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