电池技术突破:到底哪种新型技术最强?

来源:网易科技 作者:2017年03月11日 11:35
[导读] 电池可能是迄今为止最没吸引力的一项技术。《连线》最近撰文揭秘了当下的未来电池之争。未来将会是电池供能的时代,新一代电池的竞争日益激烈,角逐者不乏颇为新奇的概念,比如液态电池、熔态金属电池和盐水电池。
关键词:电池电池技术

  电池可能是迄今为止最没吸引力的一项技术。《连线》最近撰文揭秘了当下的未来电池之争。未来将会是电池供能的时代,新一代电池的竞争日益激烈,角逐者不乏颇为新奇的概念,比如液态电池、熔态金属电池和盐水电池。

  《连线》最近撰文揭秘了当下的未来电池之争。未来将会是电池供能的时代,新一代电池的竞争日益激烈,角逐者不乏颇为新奇的概念,比如液态电池、熔态金属电池和盐水电池。文章主要内容如下:

  电池可能是迄今为止最没吸引力的一项技术。这一点在麻省理工学院材料科学系里尤其明显,里面有个专用于打造和测试下一个变革性储能设备的实验室,会很容易被人误认为只是个贮藏室。

  在那个狭窄的实验室里,头发银灰的电化学家唐纳德·萨多维(Donald Sadoway)在翻找塑料元件,看起来像是小孩子寻找特定的乐高积木。他将两个物体放在桌子上,它们的大小和形状与罐头相仿,看起来就像是书镇。

  难怪电池很难提起人们的兴致。但这些书镇——是电池啦——却有可能会是彻底改变我们的能源系统的那项技术。

  电池不只是让人觉得没劲。老实说,它们还很差劲。说好听点,助力我们日常生活的电池都是隐形英雄——它们被整合到智能手机、电脑、汽车等重要物品。说不好听点,它们价格高昂,笨重,易燃,难以正当处理,在寒冷环境中容易失灵,也容易渗出腐蚀性流体。正当从它们获得能量的设备变得越来越轻薄,越来越智能,电池却还是在苦苦等待下一次升级换代。众所周知,计算机处理器的性能每两年就能翻一倍;而电池可能每两年只能提升那么几个百分点。

  电池技术突破:到底哪种新型技术最强?

  萨多维研制的电池的早期原型

  然而,未来将会是电池供能的时代。这势在必行。从电动汽车到工业级太阳能电厂,电池都将是更清洁的、更高效的能源系统的关键所在——我们越快实现这一点,我们就越快能够不再加剧气候变化。

  不过,我们现在的电池——大多是锂离子电池——还不够好。该领域取得了一些进展:储能成本过去5年已经下降了一半,越来越多的大公司在大力投资该项技术,比如特斯拉建造Gigafactory超级电池工厂。但从大范围经济转型的角度来看,锂离子电池还是太过昂贵。它们在我们的日常设备中相当强大,但一旦扩大它们的使用规模,它们就容易出现过热,甚至爆炸事故。

  也许,锂离子电池最大的问题在于它们会慢慢出现磨损。想想看,你的手机电池经过好几年不断从消耗到1%再充电回100%,会变成什么样。这种深度放电和充电的过程会对电池造成损害,会日渐损害电池的性能。

  因此,我们早就该迎来全新的电池,全球各地的研究人员正在争相帮助我们实现这一点,各种技术都在力争脱颖而出。当中有的构想非常新奇——还不算有吸引力,但绝对是令人惊奇。比如,液态电池,运行温度堪比汽车引擎的熔态金属电池,以盐水作为原料的电池。

  这是全新的竞争格局的一部分。

  电池为何重要

  好的电池需要符合几点要求,但有两点是必不可少的:可靠性和便宜。

  美国能源部负责鉴定和资助前沿研发项目的先进能源研究计划署(ARPA-E)技术副署长埃里克·罗尔芬(Eric Rohlfing)指出,“电池最大的问题还是成本。”《自然》(Nature)杂志2012年的一项调查发现,为了确保美国的整个电力供应都基于可再生能源,美国人平均每个月只愿意多花大约13美元。因此,电池不能大幅增加人们的电费支出。

  对于公用事业部门来说,那意味着所提供的输电网级储能系统每千瓦时的成本不能超过100美元。自2009年美国总统创立以来,ARPA-E已经共计投入了8500万美元来开发能够达到那一目标的新型电池。

  罗尔芬说,“人们说我疯了。”根据《自然》刊登的一项电动汽车电池研究,对于一个自诞生以来还没有接近过700美元每千瓦时成本的行业来说,那个目标数字简直低得荒谬。罗尔芬说,现在,尽管还无法实现,但每千瓦时100美元是整个行业的标准目标。要是能够做到低于这一数字,那你就不仅仅有很强的竞争力——你还能够赢得一切。

  也就是说,能赢得市场的好电池是这样的:更加清洁的、更加可靠的能源系统,不依赖于化石燃料,启动更强劲。

  每一次你波动照明开关,你就接入了一个庞大的隐形网络:输电网络。在某处,在为你家输送电力的高压输电线路的另一端,发电厂(可能是燃烧煤,有或者是使用日益普及的天然气)产生电力来替代你和其他人的人刚刚用完的电力。

  我们的电网电量任何时候都需要小心维护——不管是电量太多还是电量太少,都会引发问题。电网操作员需要进行细心谨慎的观察和预测,以便决定发电厂每小时乃至每分钟应当产生多少电量。但有时候他们会出错,这就需要发电厂及时作出调整来弥补电量差额。

  对于我们来说幸运的是,电网是一个庞大的互连系统,因此我们很少能够注意到电力在质量或者数量上的变化。不妨想象一下踏进水桶和踏进海洋之间的差别吧。在一个小型的系统中,供给和需求之间的平衡变化都显而易见——水桶的水会溢出。但由于电网如此庞大——就像是海洋——里面的变动通常都无法察觉。只有到问题比较大时我们才会注意得到,因为周围的电灯都熄灭了。

  可再生能源相比燃烧煤炭或者燃气的发电厂没有那么可控——如果人们用电需求突然飙涨,你可不能给太阳能发电站多生火造电。太阳能在白天达到峰值,期间会因为云层的变化而变化,夜间则会消失。风能甚至更不可预测。如果电网有太多这种间歇性现象,平衡电力供给和需求的难度就会加大,停电事故会变得更加频繁。

  储能是安全的解决方案。如果你能够将多余的能量存放在某个地方,然后在供给再次变少时从那里提取过来,你就能够用可再生能源给多得多的东西供能,即便天气并不晴朗,风没有刮起来。此外,电网本身会变得更加稳定有效,因为电池可让各个社区和地区自行管理自己的电力供给。我们日渐老化且征税过重的电力基础设施会走得更远。你可以在非高峰时段获取电力,将其储存到电池等到有需要时使用,如此一来,就不必在现有输电线路接近最大传输容量的地区铺设新的输电线路。

  通过这种方式,水桶能够变得更像是海洋。那意味着——至少理论上——发电量和电力存储更加分散,可再生能源的使用增多,对于燃烧化石燃料的大型发电厂的依赖减少。

  这就是电池这种东西如此重要的原因

  电池技术突破:到底哪种新型技术最强?

  美国能源部先进能源研究计划署(ARPA-E)技术副署长埃里克·罗尔芬(Eric Rohlfing)

  疯狂的想法

  萨多维在其在麻省理工学院的办公室向我表示,“电池之于电力供应链,好比冰箱之于我们的食物供应链。”

  他给我展示的那些容器是他10年前开始研究的“液态金属电池”的早期原型。

  “我开始研究电池,只是因为我对汽车非常痴迷。”萨多维说。(他的电脑桌面背景是他几年前卖掉的一辆老式跑车,他保留那张照片来纪念那辆车,就像别人纪念家里的宠物那样。)2005年,他试驾了福特的一款早期电动车,并深深迷上了它。“那时候我认识到,我们之所以还没有电动汽车,是因为我们没有合适的电池。”

  因此,萨多维开始琢磨打造合适的电池。他曾参与精炼铝的工作,因而他好奇那可否成为打造另类的新型电池的一个模板。熔炼铝是一个非常便宜的耗能过程,通过这个过程,煮沸就能得到纯净金属。但如果那个单向的过程能够加快,它本身能够回环,那也许流入熔态金属的大量能量能够储存在那里。

  在某种程度上,那是疯狂的想法——熔态电池的运行温度必须要达到880华氏度,差不多接近汽车引擎燃烧室的温度。但这也可以说是个非常简单的概念,至少对于电化学家来说是这样。原来装配液态金属电池只需要将由两个不同密度的合金组成的金属塞放入容器,然后在上面浇注一些盐。当电池通电的时候,两块金属会融化,并自动分成两层,就像浮在醋上的沙拉油。熔融盐在二者之间形成一层,来回导电。

  但萨多维称,尽管刚开始充满希望,但开发新型技术是一个极其缓慢的过程。来自ARPA-E和法国石油巨头Total的早期资助帮助他开始实践他的想法,但打造全新技术需要多年的时间,维持长期的研发工作成本不菲。风险投资者们普遍不愿意投资长期的工程项目,毕竟时下有大量的软件创业公司可快速给他们带来回报。

  萨多维说道,“在任何资本密集型的产业中,产业本身会妨碍技术创新。”他说,现有的电池公司的投资大都用在维持现有经营上,因而不会给行业的创新带来多少帮助。他指出,锂离子电子正是诞生于原有的电池行业以外;下一代电池也将如此。

  熔态金属电池早已走出地下实验室。2010年。萨多维与数名以前的学生创立电池公司Ambri,后将公司总部从坎布里奇以西30英里位于莫尔伯勒的一个制造工厂。如今,Ambri有大约40名员工,正忙于用数百个熔态金属电池打造电池组原型。

  萨多维表示,Ambri距离部署它的首批商用模型不到一年时间,截至目前一切都向好。在它的制造工厂,部分测试电池已经运转了将近四年,但没有出现任何的耗损迹象。让包含432个独立单元的电池组运转则要棘手些。但在通过热封口解决一些难题后,电池组能够达到可持续的工作温度,热度足够支持它们在不进行任何额外能量输入的情况下充电和放电现在,Ambri正在进行新一轮的融资,新融资将足够帮助它进入生产模式。

  我在走出办公室门口时说,尽管出现了种种的困难和推出延迟,但这款电池看上去很接近进入市场了。“我希望如此。”萨多维说。

  竞争激烈

  熔态金属电池并不是唯一的一个登月式电池项目,它也不是竞争中的领先者。其它的一些技术正在低调地向前推进,从“铁流电池”到锌空气和锂空气电池。

  跟萨多维的项目一样,很多的这些未经检验的技术一开始是依靠来自ARPA-E的资助。ARPA-E的罗尔芬说,“这些都是非常初期的高风险技术。因此我们广撒渔网。”

  新一代电池竞赛中尤其有希望的一位竞争者是总部位于匹兹堡的Aquion公司,其创始人、卡内基梅隆大学教授杰·惠特克(Jay Whitacre)2008年创办公司,一心要设计迄今为止最便宜且最可靠的电池。

  他们的产品被称作“盐水电池”。它看上去更相似一个装满海水的乐柏美(Rubbermaid)容器。Aquion电池里面的所有材料都属于容易获得的盛产材料,从盐到不锈钢,再到棉花。此外,那些材料无一会带来像锂离子电池那样的风险。

  Aquion产品管理总监麦特·马鲁恩(Matt Maroon)表示,“我们所使用的化学材料非常简单,我们的电池用料没有一样具有易燃性、毒性或者腐蚀性。”

  Aquion的电池也非常容易装配。“我们的主要制造装配设备来自食品包装行业。”马鲁恩说,“它是一个你可以在纳贝斯克公司看到的简单拾防机器人,可用来将饼干放在泡罩包装当中。”

  Aquion电池进入市场已经将近3年,家庭和发电厂规模的设施都可以部署。在遍布全球的250处不同地方的部署中,Aquion电池总计储能35兆瓦时。其中,在夏威夷的一处部署已经运行了两年时间;去年,该由电池和太阳能组成的系统给数座建筑供能了6个月,完全不用借助柴油发电机。

  “我们需要将更多这样的产品投入使用。”罗尔芬说道,“现在,如果我是公用事业部门或者电网运营者,想要购买储能电池,我会想要买提供20年保修的产品。我们现在讨论的这些技术还没有达到那个阶段。”

  不过,他们正在接近达到那个阶段。ARPA-E资助的另一个项目Energy Storage Systems(简称“ESS”)去年11月宣布,作为密苏里州的一个军事基地陆军工程兵部队微型电网实验的一部分,它将部署它的其中一种铁流电池。ESS还部署电池给位于美国加州纳帕谷的一个离网有机酿酒厂供能——Aquion也有为该酿酒厂部署电池。随着越来越多这样的一次性实验取得成功——更多这样的新型电池证明自身的价值——电池供能能源系统的可能性距离成为现实又近了一点。

  但电池未来有没可能变得很酷呢?这是一个更棘手的问题。Aquion的麦特·马鲁恩自2002年从大学毕业不久后便一直从事电池行业。以前参加各种业界会议,他往往都是最年轻的那一位。当初他认为自己肯定不会一辈子都干电池这一行。

  15年后,他仍在从事电池行业——但他已经不再是会议室中最年轻的那一个了。更多的学生开始涉足电池行业,人们也开始注意到该行业的重要性。“做这一行还是没有给苹果供职那么酷,”他说,“但我想人们认识到这个行业的重要性了,这让它显得有点酷。”

  “或者说我希望是这样。”他笑道,“我有个9岁大的女儿了。因此我想要做某种她会觉得很酷的东西,那是我的终极目标。”

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