跳出锂电池框架,液态金属电池或“永生”

来源: 作者:2018年02月11日 13:54
关键词:锂电池

从天冷自动关机的iPhone到深陷“爆炸门”的三星,手机中小小的锂电池带给我们许多烦恼。锂电池的技术升级能否更快一些?麻省理工学院材料科学与工程学系教授唐纳德·萨多维(Donald Sadoway)近日在《麻省理工科技评论》和DeepTech深科技主办的全球新兴技术峰会上直白地指出问题所在:研发没人买单。

“技术突破是需要钱的。我们能指望谁呢?即使是像苹果这样的巨头,目前也没在研发自己的电池技术,只是从市场上挑选购买综合性价比最高的电池。那下一个我们能指望谁?美国政府?但实际上我们最近只看到相关部门的失责,他们没有在正确的技术方向上投资。”

大约十年前,许多企业家找到萨多维,提出愿为他的电池研究买单:2008年,国际原油价格一度飙升至100美元以上。企业家们终于意识到,化石燃料终有尽头,但如果没有有效的储能设备,太阳能毫无用处。

唐纳德·萨多维

直到后来油价重新跌破40美元,萨多维又看到了外界投资热情的回落。不过,这一切不会动摇他对研究方向的判断——

早在二十多年前,“汽车迷”萨多维便预见到电动汽车行业的发展,从“耗电大户”冶金业转行研究电池。并且,萨多维大胆跳出了锂电池框架,发明了一项目重新定义电池的成果:液态金属电池,目标指向电网级储能。

液态金属电池

太阳能、风能等清洁电力近年来发展迅猛,但稳定性仍需提高,且普遍存在弃光弃风现象。另一方面,全球电力资源分配十分不平衡。萨多维判断,人类若想摆脱化石燃料,必须在现有的电力系统中加入关键的储能环节,让电力在空间和时间上得到更合理的再分配。

同时,萨多维坚信,受到能量密度、成本、安全性等因素和限制,锂电池无法胜任电网级储能。

电解铝行业引起了研究冶金出身的萨多维的注意。电解铝行业通常配有大型生产设备,24小时不间断工作,以规模效应降低成本,获取1千克铝的成本不足1美元。

受此启发,萨多维团队尝试将类似电解铝的步骤逆向操作,在2009年得到了液态金属电池,有望实现大规模且廉价的电力存储。

液态金属电池由三层液态物质从下而上组成:底层是液态锑,上层是液态镁,中间由熔盐电解液分割。

镁失去两个电子变成镁离子,镁离子渡过电解液,从锑分子中获得两个电子,形成镁锑合金,这是放电的过程。与电源相连后,镁锑合金分解,镁离子“游”回上部电极,还原到初始成分。

萨多维还持续在元素周期表上检索更廉价、表现更好的电池配方。“设计总是从元素周期表开始的。”这是门捷列夫的名言。不久前,研究团队发现钙这种廉价的金属材料有望应用到液态金属电池,能提高电池电量输出的潜力。

10年后电池容量保持99%

萨多维介绍道,目前液态金属电池的寿命很长,损耗率低,即使每天进行一次充放电操作,持续10年后仍能保有初始容量的99%。

萨多维甚至认为,液态金属电池可能是“永生”的。液态金属电池结构远较锂电池简单,三层液态材料密封在坚固外壳中。即使外壳逐渐腐蚀,里面的液态材料可以被非常便捷地提取出来,重新利用。从这个角度而言,液态金属电池可能重新定义了电池回收。事实上,萨多维本人对“回收”有着独特的思考。

电动车电池的回收一直是外界关注的焦点。但萨多维却认为,人们大多时候对“回收”过于狂热,凡事都想要回收,也是一种误区。“回收”的本质是性价比,绝不能为了回收而回收。

以铝为例。虽然可乐罐的铝包装很容易回收,但没人会用回收的铝造飞机。“我们回收铝难道是因为铝不够用了吗?铝是地壳中第三丰富的元素!只是飞机对铝的纯度要求很高,去除回收铝中的杂质,成本就比买新的铝高了。我们要从经济效益的角度看问题。”他说。

对于锂电池的回收,萨多维也并不看好。理论上,锂电池中的成分可以回收,但其结构过于复杂,回收成本过高。因此,与其纠结“如何回收锂电池”这个问题,倒不如开发结构更简单、更易回收的电池。

预期两年内交付产品

2011年,萨多维的液态金属电池公司Ambri开张,获得了包括比尔·盖茨在内的企业家投资。萨多维预期,首个商业化产品会在2020年前交付客户。

商业化进程中要克服哪些问题?萨多维团队最先造出的是容量只有1瓦时的元胞电池,他们称之为“小酒杯”。而商业化的液态金属电池产品,设计储电量1000千瓦时,功率350千瓦,体积18立方米,总重量15吨,支持1000伏直流电。

由于生产工艺流程中可能会出现一些问题,萨多维需要把可靠性提高到6西格玛,也即一百万个部件里容错一个缺陷,远超实验室标准的千分之一。

目前,电池已稳定安全地测试运行了4年,即使遭遇火灾也安然无恙。但萨多维希望它的寿命能达到二三十年。

萨多维介绍了两家有意向的客户,都是电网上的“孤岛”:夏威夷和曼哈顿。由于夏威夷岛上没有可供发电的自然资源,长期进口柴油燃烧,曾是全美电费最贵的地方。如今夏威夷正在大力发展太阳能发电,储能问题亟待解决。

曼哈顿岛上则有大量金融机构和数据机构的服务器,耗电量巨大,但电力均由纽约主城区输配过来。如果要在用电高峰满足曼哈顿岛的电力需求,电网可能过热崩溃。目前的一个替代方案是在哈德逊河底新修一条输配电通道,但成本高昂。液态金属电池,或许可以提供可行的储能方案,有效调节用电峰谷。

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