电能极易消耗。如果在产生时不加以利用,它就会迅速以热量的形式消散。只有当大量太阳能和风能能够随时储存和使用时,电网的完全脱碳才能成为现实。毕竟,我们不可能全天候利用太阳能和风能等可再生能源。 目前,锂离子电池占据了储能市场的很大一部分。但它们价格昂贵,需要开采稀有金属,而且远非环境可持续。找到一种生态破坏较小的替代品至关重要——到目前为止,科学家们正在利用钠、镁甚至海水等原材料分析锂离子电池的替代品。但在过去几年里,能源行业一直在投资金属空气电池,作为电网储能的下一代解决方案。 金属空气电池最早设计于 1878 年。该技术利用大气中的氧气作为阴极(电子接收器)和金属阳极(电子给予器)。阳极由铝、锌或铁等廉价且储量丰富的金属组成。麻省理工学院电化学教授叶明江表示:“就金属空气电池的使用而言,这三种金属已占据首位。” 1932 年,锌空气电池成为第一种金属空气电池,广泛应用于助听器。三十年后,NASA 和 GTE 实验室的科学家试图为 NASA 太空系统开发铁空气电池,但最终放弃了。尽管如此,一些研究人员仍在追逐这项难以捉摸的技术。 金属空气电池的局限性和潜力六十多年来,研究人员一直认为,从理论上讲,金属空气电池的能量密度可以高于锂离子电池。然而,它们在过去却屡屡未能充分发挥其潜力。 锂离子电池的发电过程非常简单。电池充电和放电时,锂原子只是在两个电极之间弹跳。 然而,空气的介入让这一过程变得更加棘手,也增加了一个额外的挑战——充电困难。氧气与金属发生反应,产生一种化学物质,然后引发电解过程,释放能量。但在金属空气电池中,反应不是来回进行的,而是大多数时候都是单向的。由于大气中的氧气不断流入金属空气电池,一旦启动,电池即使闲置不用也会很快腐蚀,使用寿命也会缩短。 此外,金属空气电池的每千克瓦时(衡量电池每单位质量的能量存储量)目前并不是特别高。这是电动汽车现在不能使用铁空气等金属空气电池的主要原因,蒋告诉《大众科学》 。 “锂离子电池每千克有 100 瓦时。但铁空气电池每千克只有 40 瓦时。相比之下,电池储存和释放能量的速率相对较低,”他说。 [相关:我们需要更安全的方法来回收电动汽车和手机电池。] 但他认为,尽管存在这些限制,固定式储能系统仍可能利用铁空气电池。在一家名为 Form Energy 的初创公司,蒋和他的同事一直在开发一种新型低成本铁空气电池技术,到 2024 年,该技术将为可再生能源提供多日储存。 “尽管铁空气电池不适用于电动汽车,但它可以实现商业化规模的能源存储,并有助于在本世纪中叶缓解气候变化,”同时担任 Form Energy 首席科学官的 Chiang 补充道。 金属空气电池的新设计蒋教授的团队在他们的电池技术中对“逆向生锈”过程进行了微调,从而有效地储存和释放能量。随着铁发生化学氧化,它会失去通过电池外部电路传送到空气电极的电子。大气中的氧气在空气电极上变成氢氧离子,然后穿过铁电极,形成氢氧化铁,最终变成铁锈。 “当你反向改变电池上的电流时,电池就会生锈。根据电池是放电还是充电,电子要么从铁中被带走,要么被添加到铁中,”Chiang 解释道。他声称,这种电池可以提供 100 小时的清洁电力,价格仅为每小时 20 美元千瓦时——与锂离子电池相比,这种电池非常划算,锂离子电池的价格高达每千瓦时 200 美元。 但铁并不是唯一一种正在崛起的金属。随着开发用于储能的可持续金属空气电池的竞争加速,一些公司及其研究人员正忙于投资锌空气和铝空气电池。 [相关:可再生能源需要储存。这 3 种解决方案可以提供帮助。] 德国明斯特大学的材料科学家重新设计了锌空气电池,采用了一种由防水离子组成的新电解质。在传统的锌电池中,电解质可能具有高 pH 值物质的腐蚀性,其腐蚀性足以损坏电池。研究人员通过确保防水离子粘附在空气阴极上来解决这个问题,这样电解质中的水就不会与进入的氧气发生反应。来自阳极的锌离子可以自由移动到阴极,在那里它们与大气中的氧气相互作用并反复发电。 随着研究人员越来越接近开发可充电锌空气电池,加拿大公司 Zinc8 Energy 已经推出了其产品。这家初创公司使用锌空气电池,其储罐中装有氢氧化钾和带电锌。电网中的电力将化学锌酸盐分解成锌、水和氧气。这给锌颗粒充电并储存电能。 当电力需要输入电网时,带电的锌会与氧气和水同步,释放储存的电能并产生锌酸盐。之后,整个过程重新开始。该集团宣布将这些锌空气流电池推向全球市场,将其技术安装在纽约皇后区一栋太阳能电池板住宅楼中。 和铁一样,锌也是广泛存在的,并且有现成的供应链。另一种储量丰富的金属——铝,也被用于开发铝空气电池。但蒋说,与锌空气电池不同,铝空气电池无法充电。铝生产的碳足迹也高于其他金属空气电池。 到 2028 年,全球金属空气电池市场预计将达到 11.73 亿美元,主要用于提供储能解决方案。但目前,投资者、行业分析师和消费者都在热切期待下一个重大突破。 |
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