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MIT教授薩多維:跳出鋰電池框架,液態金屬電池或“永生

作者:中國儲能網新聞中心 來源:澎湃新聞 發布時間:2018-09-23 瀏覽:
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從天冷自動關機的iPhone到深陷“爆炸門”的三星,手機中小小的鋰電池帶給我們許多煩惱。鋰電池的技術升級能否更快一些?麻省理工學院材料科學與工程學系教授唐納德·薩多維(Donald Sadoway)近日在《麻省理工科技評論》和DeepTech深科技主辦的全球新興技術峰會上直白地指出問題所在:研發沒人買單。

“技術突破是需要錢的。我們能指望誰呢?即使是像蘋果這樣的巨頭,目前也沒在研發自己的電池技術,只是從市場上挑選購買綜合性價比最高的電池。那下一個我們能指望誰?美國政府?但實際上我們最近只看到相關部門的失責,他們沒有在正確的技術方向上投資。”薩多維告訴澎湃新聞(www.thepaper.cn)。

大約十年前,許多企業家找到薩多維,提出愿為他的電池研究買單:2008年,國際原油價格一度飆升至100美元以上。企業家們終于意識到,化石燃料終有盡頭,但如果沒有有效的儲能設備,太陽能毫無用處。

直到后來油價重新跌破40美元,薩多維又看到了外界投資熱情的回落。不過,這一切不會動搖他對研究方向的判斷——

早在二十多年前,“汽車迷”薩多維便預見到電動汽車行業的發展,從“耗電大戶”冶金業轉行研究電池。并且,薩多維大膽跳出了鋰電池框架,發明了一項目重新定義電池的成果:液態金屬電池,目標指向電網級儲能。

液態金屬電池

太陽能、風能等清潔電力近年來發展迅猛,但穩定性仍需提高,且普遍存在棄光棄風現象。另一方面,全球電力資源分配十分不平衡。薩多維判斷,人類若想擺脫化石燃料,必須在現有的電力系統中加入關鍵的儲能環節,讓電力在空間和時間上得到更合理的再分配。

同時,薩多維堅信,受到能量密度、成本、安全性等因素和限制,鋰電池無法勝任電網級儲能。

電解鋁行業引起了研究冶金出身的薩多維的注意。電解鋁行業通常配有大型生產設備,24小時不間斷工作,以規模效應降低成本,獲取1千克鋁的成本不足1美元。

受此啟發,薩多維團隊嘗試將類似電解鋁的步驟逆向操作,在2009年得到了液態金屬電池,有望實現大規模且廉價的電力存儲。

液態金屬電池由三層液態物質從下而上組成:底層是液態銻,上層是液態鎂,中間由熔鹽電解液分割。

鎂失去兩個電子變成鎂離子,鎂離子渡過電解液,從銻分子中獲得兩個電子,形成鎂銻合金,這是放電的過程。與電源相連后,鎂銻合金分解,鎂離子“游”回上部電極,還原到初始成分。

薩多維還持續在元素周期表上檢索更廉價、表現更好的電池配方。“設計總是從元素周期表開始的。”這是門捷列夫的名言。不久前,研究團隊發現鈣這種廉價的金屬材料有望應用到液態金屬電池,能提高電池電量輸出的潛力。

10年后電池容量保持99%

薩多維介紹道,目前液態金屬電池的壽命很長,損耗率低,即使每天進行一次充放電操作,持續10年后仍能保有初始容量的99%。

薩多維甚至認為,液態金屬電池可能是“永生”的。液態金屬電池結構遠較鋰電池簡單,三層液態材料密封在堅固外殼中。即使外殼逐漸腐蝕,里面的液態材料可以被非常便捷地提取出來,重新利用。從這個角度而言,液態金屬電池可能重新定義了電池回收。事實上,薩多維本人對“回收”有著獨特的思考。

電動車電池的回收一直是外界關注的焦點。但薩多維卻認為,人們大多時候對“回收”過于狂熱,凡事都想要回收,也是一種誤區。“回收”的本質是性價比,絕不能為了回收而回收。

以鋁為例。雖然可樂罐的鋁包裝很容易回收,但沒人會用回收的鋁造飛機。“我們回收鋁難道是因為鋁不夠用了嗎?鋁是地殼中第三豐富的元素!只是飛機對鋁的純度要求很高,去除回收鋁中的雜質,成本就比買新的鋁高了。我們要從經濟效益的角度看問題。”他說。

對于鋰電池的回收,薩多維也并不看好。理論上,鋰電池中的成分可以回收,但其結構過于復雜,回收成本過高。因此,與其糾結“如何回收鋰電池”這個問題,倒不如開發結構更簡單、更易回收的電池。

預期兩年內交付產品

2011年,薩多維的液態金屬電池公司Ambri開張,獲得了包括比爾·蓋茨在內的企業家投資。薩多維預期,首個商業化產品會在2020年前交付客戶。

商業化進程中要克服哪些問題?薩多維團隊最先造出的是容量只有1瓦時的元胞電池,他們稱之為“小酒杯”。而商業化的液態金屬電池產品,設計儲電量1000千瓦時,功率350千瓦,體積18立方米,總重量15噸,支持1000伏直流電。

由于生產工藝流程中可能會出現一些問題,薩多維需要把可靠性提高到6西格瑪,也即一百萬個部件里容錯一個缺陷,遠超實驗室標準的千分之一。

目前,電池已穩定安全地測試運行了4年,即使遭遇火災也安然無恙。但薩多維希望它的壽命能達到二三十年。

薩多維介紹了兩家有意向的客戶,都是電網上的“孤島”:夏威夷和曼哈頓。由于夏威夷島上沒有可供發電的自然資源,長期進口柴油燃燒,曾是全美電費最貴的地方。如今夏威夷正在大力發展太陽能發電,儲能問題亟待解決。

曼哈頓島上則有大量金融機構和數據機構的服務器,耗電量巨大,但電力均由紐約主城區輸配過來。如果要在用電高峰滿足曼哈頓島的電力需求,電網可能過熱崩潰。目前的一個替代方案是在哈德遜河底新修一條輸配電通道,但成本高昂。液態金屬電池,或許可以提供可行的儲能方案,有效調節用電峰谷。

關鍵字:液態金屬電池

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