如果你曾開(kāi)車沿著5號(hào)公路從洛杉磯北上舊金山，那么你極有可能會(huì)在途中遇到一座大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，這是加州最具代表性的艾塔風(fēng)能中心(The Alta Wind Energy Center)。2013年以前，它也是美國(guó)最大的風(fēng)能發(fā)電廠。

事實(shí)上，如果你選擇不同的路線，那么一路北上過(guò)程中還有機(jī)會(huì)遇到幾所各具特色的風(fēng)能發(fā)電廠。加州是美國(guó)最早大規(guī)模發(fā)展風(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的地區(qū)之一，也是美國(guó)清潔能源的研發(fā)急先鋒。2025年前，加州致力于實(shí)現(xiàn)50%的用電來(lái)自于可持續(xù)能源。

以風(fēng)能和太陽(yáng)能為代表的可再生清潔能源是緩解全球性資源緊缺、氣候變化和環(huán)境污染困局的不二良方。美中不足的是，太陽(yáng)能和風(fēng)能都屬于間歇能源，一片云都可能影響太陽(yáng)能面板發(fā)電的穩(wěn)定性。與此同時(shí)，由于缺乏高效的大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備，全世界范圍內(nèi)風(fēng)能和太陽(yáng)能的浪費(fèi)也極為嚴(yán)重。因此，電池等電化學(xué)儲(chǔ)能器件的研究，極為關(guān)鍵。

4月30日，在《自然》雜志旗下的《自然-能源》上刊發(fā)的一篇學(xué)術(shù)文章，引起全球能源界巨大關(guān)注。來(lái)自斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)最新研究成果為大規(guī)模儲(chǔ)能帶來(lái)新希望。該校材料系著名華裔教授崔屹實(shí)驗(yàn)組發(fā)明的新型水電池——錳氫氣電池(Mn-H)——可循環(huán)使用超過(guò)1萬(wàn)次!其低成本、長(zhǎng)壽命、高能量密度的潛在性能將有望在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域帶來(lái)巨大變革。

一直鼓勵(lì)新能源發(fā)展技術(shù)研發(fā)的諾貝爾獎(jiǎng)得主、前美國(guó)能源部部長(zhǎng)、現(xiàn)斯坦福大學(xué)教授朱棣文(Steven Chu)對(duì)上述研究成果的進(jìn)一步完善充滿期待。他表示，“雖然精確的材料和設(shè)計(jì)仍需進(jìn)一步研發(fā)，但這一原型展示了獲得廉價(jià)、耐用的大規(guī)模儲(chǔ)能電池的科學(xué)和工程新方法”。

在論文發(fā)表次日(5月1日)，美國(guó)中文電視、美國(guó)中文網(wǎng)記者第一時(shí)間探訪了斯坦福大學(xué)材料系崔屹實(shí)驗(yàn)室，搶先了解到這款新型電池的更多細(xì)節(jié)。

崔屹實(shí)驗(yàn)室博士后研究員陳維展示電池原型

圖片來(lái)自斯坦福官網(wǎng)

這個(gè)原型約3英寸高的新型錳氫氣電池目前僅可產(chǎn)生大約20毫瓦時(shí)(mWh)的電量，這與掛在鑰匙圈上的LED閃燈的能量水平差不多。盡管如此，但實(shí)驗(yàn)人員相信，這個(gè)原創(chuàng)技術(shù)在進(jìn)一步完善之后將有望在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。該課題組帶頭人、斯坦福大學(xué)材料系教授崔屹表示：“我們相信這個(gè)原型技術(shù)將會(huì)達(dá)到能源部對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能的實(shí)用性目標(biāo)。”

按照目前美國(guó)能源部的建議，可用于大規(guī)模儲(chǔ)能的電池需滿足以下幾個(gè)條件：在一小時(shí)內(nèi)可充放的能量不低于20千瓦，至少能夠支持5千次充放電，且使用壽命不短于10年。從實(shí)用角度來(lái)說(shuō)，滿足上述條件的電池的價(jià)格不應(yīng)高于2000美元，也就是存儲(chǔ)每千瓦時(shí)能量的價(jià)格低于100美元。

為了達(dá)到這一目標(biāo)，不同領(lǐng)域的科學(xué)家們進(jìn)行了各式各樣的嘗試。在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域，已經(jīng)嶄露頭角的電池體系不少，包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、液態(tài)金屬電池等等。然而，這些電池不是能量密度偏低，循環(huán)壽命短，就是成本太高、工作條件苛刻，在實(shí)際應(yīng)用方面還有很長(zhǎng)的路要走。

能量密度

鉛酸電池：30-50 Wh/kg，流體電池：<50 Wh/l。

循環(huán)壽命

鉛酸電池：<500次，鈉硫電池：<1500次。

封裝成本

鋰離子電池：~250$/kWh;鉛酸電池：~170$/kWh;流體電池：~450$/kWh

工作溫度

鈉硫電池：300-350 ℃;液態(tài)金屬電池：>450 ℃。

幾種電池體系的主要受限因素對(duì)比

有鑒于此，斯坦福大學(xué)材料系的崔屹教授在三年前提出一個(gè)新構(gòu)想——將錳和氫分別用作正負(fù)極，以水做電解質(zhì)，在理論上應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能在能量密度、使用壽命和價(jià)格等多方面的嚴(yán)格要求。

崔屹教授接受美國(guó)中文網(wǎng)采訪

美國(guó)中文網(wǎng)官子俊攝

崔屹(左)與學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室

崔屹，是全球納米材料領(lǐng)域的領(lǐng)軍者之一，現(xiàn)任斯坦福大學(xué)教授。他同時(shí)也是斯坦福SLAC美國(guó)國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室教授和Precourt能源研究所高級(jí)研究員。

崔屹還是Stanford Bio-X和斯坦福大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所的成員。在崔屹教授指導(dǎo)下，其在斯坦福大學(xué)的中國(guó)籍博士后研究員陳維對(duì)此進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)三年多的探索和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。“我們需要對(duì)氫氣電池裝置和各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，以不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果”，陳維表示，“相關(guān)的實(shí)驗(yàn)做了不下1000次”，終于得到了一個(gè)優(yōu)化的裝置和測(cè)試條件，獲得了優(yōu)異的電池性能。這意味著，新研發(fā)的這款電池可以在反復(fù)充放電10000次后依然沒(méi)有明顯衰變。這相當(dāng)于電池壽命在現(xiàn)有主要儲(chǔ)能方式的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。

Mn-H電池電化學(xué)性能

崔屹課題組發(fā)表在《自然-能源》上的相關(guān)文章

陳維接受美國(guó)中文網(wǎng)采訪

美國(guó)中文網(wǎng)官子俊攝

“技術(shù)還處于試驗(yàn)階段”，崔屹教授告訴美國(guó)中文網(wǎng)，其課題組正在對(duì)實(shí)驗(yàn)原型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，這些優(yōu)化主要集中在兩方面，一是提高電池的能量密度，一是降低電池的成本。比如，在早前實(shí)驗(yàn)中使用鉑作催化劑，需要找到更便宜的替代品。在獲得優(yōu)化之后，課題組將繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)中試和大規(guī)模試驗(yàn)。在一向注重產(chǎn)學(xué)研一體化的斯坦福大學(xué)的鼓勵(lì)下，崔屹教授已經(jīng)取得相關(guān)專利，并已經(jīng)設(shè)立公司，籌備產(chǎn)業(yè)化。

“全球大規(guī)模儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模高達(dá)萬(wàn)億美元”，在崔屹看來(lái)，一旦Mn-H電池能夠如預(yù)期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，那么將使得清潔能源入網(wǎng)更為穩(wěn)定，并對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)重要促進(jìn)。大到清潔能源電廠、小到居民小區(qū)和家庭用電都可能從中受益。比如，按照目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推測(cè)，儲(chǔ)存可供一個(gè)100瓦的燈泡連續(xù)使用12個(gè)小時(shí)的電能的費(fèi)用僅為1美分。

另一方面，Mn-H電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也將可能使得電動(dòng)汽車普及進(jìn)一步逼近。 Mn-H電池可以穩(wěn)定電網(wǎng)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了可能性。