生锈的金属可能是电网所需的电池

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。

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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。

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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。