图片来源： GabrielleMerk。 Wikimedia.org（照片 #46）

研究人员表示，一种新型水基电池可以为储存风能或太阳能提供一种廉价的方法，以备后用。

电池可以储存阳光充足、有风时产生的能量，以便在用电高峰期将能量输回电网并重新分配。

据报道，原型锰氢电池…… 自然能源它只有三英寸高，产生的电量仅为 20 毫瓦时，与挂在钥匙链上的 LED 手电筒的能量水平相当。

尽管原型机的输出功率很小，但研究人员相信他们可以将这项桌面技术扩展到工业级系统，该系统可以充电和再充电多达 10,000 次，从而制造出使用寿命超过十年的电网级电池。

斯坦福大学材料科学教授、该论文的资深作者崔毅表示，锰氢电池技术可能是美国能源难题中缺失的一环——一种储存不可预测的风能或太阳能的方法，从而在可再生能源不可用时减少燃烧可靠但会排放碳的化石燃料的需求。

“我们所做的就是将一种特殊的盐倒入水中，放入电极，然后产生一种可逆的化学反应，将电子以氢气的形式储存起来，”崔说。

巧妙的化学

崔教授实验室的博士后研究员魏晨带领团队构思了这一概念并制造了原型。本质上，研究人员实现了水和硫酸锰（一种廉价且储量丰富的工业盐，用于制造干电池、化肥、纸张和其他产品）之间的可逆电子交换。

为了模拟风能或太阳能如何为电池供电，研究人员将电源连接到原型机上。流入的电子与溶解在水中的硫酸锰发生反应，生成附着在电极上的二氧化锰颗粒。多余的电子以氢气的形式逸出，并将能量储存起来以备将来使用。

工程师们知道如何利用氢气中储存的能量重新产生电能，因此下一步的重要工作就是证明他们可以给水基电池充电。

研究人员通过将电源重新连接到耗尽能量的原型机上来实现​​这一目标，这次的目的是诱导附着在电极上的二氧化锰颗粒与水结合，从而补充硫酸锰盐。一旦这个过程恢复了盐的含量，输入的电子就会过剩，多余的能量就会以氢气的形式逸出，这种方法可以反复进行。

崔估计，考虑到水基电池的预期寿命，储存足够的电力来点亮一个 100 瓦的灯泡 12 小时，成本仅为一美分。

崔表示：“我们相信这项原型技术能够达到美国能源部对公用事业规模储能实用性的目标。”

美国能源部建议，电网级储能电池应能在1小时内储存并释放至少20千瓦的电量，至少可充电5,000次，且使用寿命至少为10年。为了使其切实可行，此类电池系统的成本应为2,000美元或更低，即每千瓦时100美元。

美国前能源部长、诺贝尔奖得主朱棣文（Steven Chu）现任斯坦福大学教授，长期以来一直致力于推动相关技术的发展，以帮助美国向可再生能源转型。

“虽然具体的材料和设计还需要进一步开发，但这个原型展示了那种能够为实现低成本、长寿命、公用事业规模电池提供新途径的科学和工程技术，”朱先生说道，他并非该研究团队的成员。

电网供电

据美国能源部估计，美国约70%的电力来自燃煤或天然气发电厂，这些发电厂排放的二氧化碳占总排放量的40%。转向风能和太阳能发电是减少这些排放的途径之一。但这也带来了新的挑战，即电力供应的不稳定性。最显而易见的是，太阳只在白天照耀，而且有时风也不吹。

但另一种不太为人所知但却至关重要的波动形式来自电网需求的激增——电网是由高压电线组成的网络，负责将电力输送到各个地区，最终输送到千家万户。在炎热的夏天，人们下班回家后会打开空调，电力公司必须采取负荷平衡策略来满足高峰需求：即在几分钟内提高发电量，以避免可能导致电网瘫痪的电压骤降或停电。

如今，电力公司通常通过启动按需或“可调度”电厂来实现这一目标。这些电厂可能一天中的大部分时间都处于闲置状态，但可以在几分钟内投入运营——虽然能够快速发电，但也增加了碳排放。一些电力公司已经开发出不依赖化石燃料燃烧电厂的短期负荷平衡方案。

最常见且最具成本效益的此类策略是抽水蓄能：利用多余的电力将水抽到高处，然后在用电高峰期让水流回高处发电。然而，抽水蓄能仅适用于水资源和空间充足的地区。因此，为了更好地利用风能和太阳能，美国能源部鼓励使用高容量电池作为替代方案。

击败竞争对手

崔表示，目前市场上有几种可充电电池技术，但尚不清楚哪些方法能够满足美国能源部的要求，并向维护国家电网的公用事业公司、监管机构和其他利益相关者证明其实用性。

例如，崔教授指出，目前用于存储手机和笔记本电脑所需少量能量的可充电锂离子电池，由于采用稀有材料，成本过高，无法满足社区或城市的储能需求。他认为，电网级储能需要低成本、高容量的可充电电池，而锰氢工艺似乎很有前景。

崔补充道：“其他可充电电池技术在其使用寿命内的成本很容易超过这种技术的五倍。”

陈表示，锰氢电池采用新颖的化学技术、低成本的材料，且相对简单，因此非常适合低成本的电网级部署。

该原型机还需要进一步的研发工作来验证其性能。一方面，它使用铂金作为催化剂来促进电极上的关键化学反应，从而提高充电效率，而铂金的成本对于大规模应用来说过于昂贵。但陈表示，团队已经在研究更经济的方法来促进硫酸锰和水进行可逆电子交换。

他说：“我们已经找到了一些催化剂，这些催化剂可能会使我们的电价低于美国能源部设定的每千瓦时 100 美元的目标。”

研究人员报告称，他们对原型进行了 10,000 次充电，是美国能源部要求的两倍，但他们表示，有必要在实际电网储能条件下测试锰氢电池，以便真正评估其寿命性能和成本。

崔表示，他已通过斯坦福大学技术许可办公室申请了该工艺的专利，并计划成立一家公司将该系统商业化。

作者简介

斯坦福大学材料科学教授崔毅是该论文的资深作者。其他合作作者来自中国科学院和斯坦福大学。该研究由美国能源部资助。

来源: 斯坦福大学

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