中國儲能網訊：電池是一種極其重要的技術，現(xiàn)代生活離開電池將無法想象。但很多工程師認為目前電池的性能不盡人意，其性能依然具有很大的提升空間。如果能以合理的價格生產出性能更好的電池，不僅能使內燃機成為多余，而且也能使人類廣泛利用風能和太陽能，引領人類進入零排放燃料時代。誠如此，確實將是一場綠色能源革命。然而，人類對這場革命的期待已經太久。期待時間越久，人們就越懷疑它是否會真正發(fā)生。
2012年12月，美國成立的國家級“能源存貯研究聯(lián)合中心”，希望能證明懷疑論者是錯誤的。該中心聚集了美國能源部下屬的5個國家級實驗室、5所大學和4家私營公司從事能源研究的頂尖科學家。時任美國能源部長朱棣文指出：“這是一個世界一流科學家和一流公司組成的合作團隊，他們將確保世界最先進的電池技術在這里研發(fā)出來并在美國生產。”此舉是繼日本之后第二個由政府主導、產學研合作組建有形實體的國家級動力電池研發(fā)機構，是美國政府著力推動先進動力電池發(fā)展的一項重大舉措。
據《經濟學人》雜志報道，該中心最近獲得了美國能源部提供的1.2億美元研究經費，其目標非常宏偉——在未來5年內使電池容量增加到5倍，成本降為五分之一。
積極的探索方案
克瑞斯·普佩克是美國阿爾貢國家實驗室的一位工業(yè)化學家，他很堅定地在空中晃動著一個裝有白色粉末的試管。普佩克的同事只需少量粉末，便能分析出它是否有潛力成為電池研究領域可采用的最新材料。普佩克博士的工作職責就是確定新材料是否具備轉化為實際應用的潛力。簡言之，就是發(fā)現(xiàn)具有合適屬性的新材料用以制造價廉且能批量生產的電池，并將具有潛力的新材料轉給工業(yè)界進行測試。他和同事們希望至少發(fā)現(xiàn)一種能引發(fā)一場革命的新材料。
大多數(shù)電池——從最初用于發(fā)動汽車的笨拙鉛酸蓄電池，到現(xiàn)在為電子書讀寫器、手表等提供動力的造型優(yōu)美的小型鋰電池——都必備三個部件：兩個電極（陽極和陰極）和電解質（包括固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種形態(tài)）。而開發(fā)新型電池的技巧，就是深入探究上述三個部件的材料，致力于優(yōu)化電池性能和降低成本。普佩克手中的白色粉末就是此類新型材料中的一種。
為了發(fā)掘更多的此類材料，阿爾貢國家實驗室利用了麻省理工學院戈布蘭德·辛德爾博士創(chuàng)立的、依然在不斷擴展的物質百科全書——“材料計劃”，該計劃旨在建立一個可與谷歌相媲美的網絡引擎，專門用于搜索各種材料的屬性，能讓來自大學、國家實驗室和企業(yè)界的科學家共享信息，以促進新材料的研發(fā)。研究人員通過超級計算機描繪出各種無機化合物的屬性，包括其穩(wěn)定性、電壓、電容和氧化狀態(tài)等，并將這些結果建立數(shù)據庫。截至2011年底，該數(shù)據庫已經收錄了1.5萬多種無機化合物，而且每天還會吸納數(shù)百種“新成員”。在探尋更優(yōu)電極材料進程中，阿爾貢國家實驗室將此計劃作為“參考圖書館”，并希望能為它“增磚添瓦”。
提高鋰電池性能為主要目標
作為目前最為成功的蓄電裝置，已問世20多年的鋰電池的用途非常廣泛，目前已被成功應用于電動汽車、混合動力汽車甚至客機。然而，其最大缺陷是容易過熱和燃燒。
波音787夢幻客機是全球首款廣泛使用鋰電池的客機，今年1月遭遇數(shù)次故障。美國國家運輸安全委員會的初步調查認定，該機型1月7日發(fā)生的電池起火事故，其原因是電池組的8個單電池，有一個發(fā)生多重短路，引發(fā)所謂熱失控的化學反應，溫度逐漸升高。短路也逐漸擴散到其他單電池，并導致起火。鑒于此，目前全球數(shù)十架波音787停飛，等待波音公司以及日本和美國政府的最終調查結果。2月初，波音公司提議對787夢幻客機的電池設計進行一系列更改，考慮增加鋰離子電池單元格之間的間隔，以減輕電池內部熱量和火蔓延的潛在風險，同時增加強化的熱傳感器。
針對由“材料計劃”或者其他來源所提供的各種組合材料的首次測試，其目標是擊敗現(xiàn)有的鋰電池。對全世界科學家而言，能夠成功改進鋰電池的性能將成為一項非凡的成就。
最近被任命為能源存貯研究聯(lián)合中心主任的喬治·克拉布特瑞認為，很快就需要在這方面進行改進。他認為目前科學家在改進鋰電池性能方面業(yè)已取得很大成就，替換鋰電池指日可待。該中心副主任杰夫·謝姆布萊恩對現(xiàn)有技術進展更有信心，認為在鋰電池既定重量基礎上，依然有可能將其儲能容量增加一倍，成本降低30%—40%。
那么，如果科學家使鋰電池技術逐步趨于極限，是否能制造出真正與內燃機汽車相媲美的電動汽車呢？據全球著名的商業(yè)咨詢公司麥肯錫公司估計，到2020年鋰電池汽車將具有競爭力，但未來依然需要做大量工作。此外，科學家正在開發(fā)可與鋰電池相媲美的其他各種新型電池。
其中的領先者可能就是鋰空氣電池。這種電池的原理是，利用空氣中的氧氣作為電解質，從而減少電池自身重量，這意味著在理論上其能量密度非常大——這一點非常重要。與傳統(tǒng)的石油燃料驅動汽車相比，電動汽車的主要缺點就是能量供給偏少，1公斤汽油所蘊含的能量（以焦耳為計量單位）是同等重量電池的6倍以上。設法降低該比率將使電動汽車更具吸引力。
目前對鋰空氣電池的炒作力度很大，但需要研究人員耗費數(shù)年時間才能解決一些技術難題。鋰空氣電池充電困難且性能極不穩(wěn)定，此外，為電池提供能量的化學反應存在自燃風險，因此，鋰空氣電池非常易燃，需要笨重的安全系統(tǒng)以防止其起火。
幸運的是，能源存貯研究聯(lián)合中心的研究人員有若干其他備選方案，多價離子電池便是其中之一。一個鋰原子僅擁有一個可用于化學反應的電子，相比之下，鎂原子擁有兩個價電子，鋁原子則有三個價電子。該中心張伯倫博士指出，從理論上講，這意味著鎂電池或者鋁電池有可能獲得兩倍或三倍于鋰電池的能量。雖然這些金屬并不像鋰那樣輕，但它們額外的價電子可以增加其所存儲的能量，這種特性將使它們可與石油相媲美。此外，鎂和鋁都比鋰更便宜、更安全。然而，鎂離子和鋁離子在電池內部難以移動，這也是過去它們未曾被用于制造電池的原因。當然，該問題也是新型儲能材料所必須解決的難題。
與流體電池同行
除了用于電動汽車，成功開發(fā)新型電池有望建立電網級能源存儲方式，實現(xiàn)綠色儲能。如果能建立成本低廉的電網級能源存儲方式，從經濟角度來說，它將能克服太陽能和風能發(fā)電的間歇性難題，引發(fā)風能和太陽能革命。為實現(xiàn)這一目標，阿爾貢國家實驗室的研究人員目前正在開發(fā)流體電池。
傳統(tǒng)的電池是在兩根固定電極中儲存化學能的，而流體電池則將其儲存在浸入電極，即液體電解質中。流體電池能夠被制成規(guī)模龐大的電池單元，適合使用液體化學物質存儲大量電能，因此可利用它們來采集風力渦輪機和太陽能模件所產生的多余電力，并儲藏備用。流體電池是利用水基電解液，而水易于被分解的特性則限制了其發(fā)展?jié)摿?mdash;—它限制了流體電池的工作電壓。利用有機電解液替代水基電解液將能克服這種缺陷，阿爾貢實驗室的研究人員正在朝著這個方向不懈地努力。
一個以電池為驅動力的世界，將實現(xiàn)經濟體系的部分電氣化（如交通運輸業(yè)等），加快人類從使用昂貴的、污染環(huán)境的化石燃料逐步轉向陽光等零成本燃料的進程。正如每種革命的宣言一樣：新型電池所引發(fā)的將是一場無與倫比的革命。現(xiàn)在的問題是：革命必將發(fā)生，抑或現(xiàn)有電池仍將占據主導地位？
