納米電極助陣并網(wǎng)儲(chǔ)電

斯坦福大學(xué)的研究人員日前用銅化合物組成的納米材料研發(fā)出了一種新的電池陰極，可反復(fù)充電4萬(wàn)次。斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授崔毅稱：“由于該技術(shù)造價(jià)不高且耐用，它可以滿足電網(wǎng)大規(guī)模的儲(chǔ)能需求。”

崔毅表示：“這一研究為風(fēng)能、太陽(yáng)能因天氣原因而導(dǎo)致發(fā)電量驟降提供了解決方案。因?yàn)椴荒鼙ＷC每天都是晴天，同時(shí)也無(wú)法保證每天都刮風(fēng)，因此如果想要大規(guī)模發(fā)展風(fēng)光電，間歇性是其主要障礙。如果我們能有一個(gè)高效、持久且可以反復(fù)使用的電池，那么我們就可以將風(fēng)能、太陽(yáng)能產(chǎn)生的多余電力儲(chǔ)存起來(lái)。同時(shí)，電池的造價(jià)不能太過(guò)昂貴，否則，無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化拓展。”

實(shí)現(xiàn)4萬(wàn)次充放電

目前，斯坦福大學(xué)的研究人員已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)了這一想法，那就是采用銅化合物納米材料的新電極，在反復(fù)充電4萬(wàn)次后，其電池容量依然可以保持83%。而傳統(tǒng)鋰離子電池的充放電次數(shù)為400次，隨后電容量就迅速下降。斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究生克林·威爾斯表示：“通過(guò)每天進(jìn)行數(shù)次充放電實(shí)驗(yàn)，我們預(yù)計(jì)這個(gè)電極的使用壽命能達(dá)到30年。”目前有關(guān)研究已經(jīng)發(fā)表在《自然·通訊》雜志上，克林·威爾斯是主要作者。

該研究的合著者、克林·威爾斯的導(dǎo)師崔毅表示：“電池能反復(fù)充電這么多次，性能絲毫沒(méi)有減弱，這真是一次突破。”

研究人員首先要采用普魯士藍(lán)(即亞鐵氰化鐵)，隨后，他們用銅代替一半的鐵，用所產(chǎn)生的化合物制成結(jié)晶納米粒子，再把這些粒子涂到布狀碳基質(zhì)上。然后，他們把這種電極沉浸在硝酸鉀電解質(zhì)溶液中?？肆?amp;middot;威爾斯表示：“由于鉀離子可以自由移動(dòng)，因此電極的充放電周期非常快，這是非常重要的。”

據(jù)介紹，新電池的化學(xué)反應(yīng)采用廉價(jià)材料。其原理與鋰離子相同，鈉或鉀離子在電極之間移動(dòng)，進(jìn)行充放電。崔毅稱：“要并網(wǎng)儲(chǔ)電，電池體積會(huì)很大，鈉和鉀很具吸引力，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)量多且廉價(jià)。”

性能強(qiáng)于鋰離子電池

崔毅帶頭的研究小組還有不少研究是基于鋰離子，鋰離子電池能量密度很高，這就是說(shuō)他們體積相對(duì)較小，更適合運(yùn)用于便攜的電子產(chǎn)品，如筆記本電腦等。但是，如果談到電網(wǎng)的儲(chǔ)能問(wèn)題，能量密度并不是那么重要。你可以有一個(gè)像房子那么大的電池， 它不需要便攜。另外，成本也是一大考慮。

鋰離子電池的一些組件造價(jià)昂貴，而且建造一個(gè)很大規(guī)模的鋰離子電池用于電網(wǎng)儲(chǔ)能，成本到底多大，目前并不清楚。威爾斯表示：“當(dāng)時(shí)我們認(rèn)為，如果想開(kāi)發(fā)用于電網(wǎng)儲(chǔ)能的電池，我們就應(yīng)該考慮鋰離子以外的原料。我們選用的材料，如鐵、銅以及氮都是非常便宜的。另外，我們使用水性電解液，而不是有機(jī)電解液，其成本又降低了一些。”

新電極主要是限制就是其化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致它僅適合作為高壓電極。但是，每一個(gè)電池需要兩個(gè)電極—— 高電壓的陰極和低電壓陽(yáng)極，以通過(guò)電壓差來(lái)產(chǎn)生電力。研究人員需要找到另一種物質(zhì)制成陽(yáng)極，才可以制成電池。崔毅表示：“目前他們正在試驗(yàn)各種不同物質(zhì)來(lái)制成陽(yáng)極，已經(jīng)有一些潛在合適材料。”

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院名譽(yù)教授羅伯特·哈金斯表示，雖然目前沒(méi)有形成完整電池，但是新電極的表現(xiàn)已經(jīng)超過(guò)現(xiàn)有任何電池的電極。這一發(fā)現(xiàn)為風(fēng)電系統(tǒng)提供了很好的儲(chǔ)能解決途徑。崔毅表示：“現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)的電極材料在實(shí)驗(yàn)室階段前景巨大，但是商業(yè)化推廣存在困難。對(duì)于這種新電極，不存在這種問(wèn)題。新電極商業(yè)化推廣并不困難。我們將化學(xué)物質(zhì)放到燒瓶中，從而得到電極材料，你可以獲得更多原料。要生產(chǎn)這種電池，我們沒(méi)有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。”

新電極充電容量較低

此外，也有業(yè)內(nèi)人士對(duì)這一技術(shù)提出了不足?？▋?nèi)基·梅隆大學(xué)材料科學(xué)與工程教授杰伊·惠特克表示：“相比其他電極，這種電極擁有良好的循環(huán)周期，但是其也有自身不足，它的充電容量較低，每克材料電容量只有60毫安時(shí)，相比之下，錳氧化物的陰極達(dá)100毫安時(shí)。雖然說(shuō)造價(jià)低廉，但是以銅代替鐵，其成本有所上升。”

麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程教授唐納德·沙得維表示：“大規(guī)模并網(wǎng)儲(chǔ)電最重要的指標(biāo)是每次充電周期所產(chǎn)生能量的價(jià)格。這一新材料擁有明顯優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)個(gè)周期的充放電，成本也將因此降低。其整體性能將優(yōu)于鈉硫電池。”

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室電池研究員克里斯托副·約翰遜表示：“除了成本和循環(huán)周期之外，往返能源效率對(duì)于電網(wǎng)儲(chǔ)能也非常重要，這樣，充電過(guò)程中就不會(huì)浪費(fèi)能量。雖然不知道新電極的成本，但是，它的效率和循環(huán)壽命表現(xiàn)卓越。”研究人員還需要研發(fā)陽(yáng)極，以形成完整的電池單元。”