設計 / 琚 佳
來源 / news.mit.edu, scitechdaily.com, www.technologyreview.com
傳統鋰電池在重量相同的情況下所能儲存的能量已接近極限。這成為了電動交通領域未來發展的重大障礙，尤其是對于像飛機、火車和輪船這類耗能巨大的設備而言。
如今，麻省理工學院（MIT）的新研究或許能提供一種突破性的解決方案。麻省理工學院材料科學與工程教授蔣業明（Yet-Ming Chiang）為首的的研發團隊開發出了一種革命性的鈉 - 空氣燃料電池（sodium-air fuel cell），有望在航空、鐵路和海運領域作為動力來源。
蔣業明教授來自中國臺灣，是美國工程院院士，目前最優秀的材料學家之一，曾研究出用鋁、鈮、鋯等三種金屬做正極的超級鋰電池。他還創辦過 A123 Systems、Form Energy 等多家影響深遠的能源科技公司。
承載這項成果的論文《用于高能量密度和低成本電力的鈉 - 空氣燃料電池（Sodium-Air Fuel Cell for High Energy Density and Low-Cost Electric Power）》，5 月 27 日發表在《焦耳（Joule）》雜志上，作者包括麻省理工學院的博士生凱倫 · 蘇加諾（Karen Sugano）、蘇尼爾 · 邁爾（Sunil Mair）、薩伊赫 · 甘蒂 - 阿格拉瓦爾（Saahir Ganti-Agrawal）以及蔣業明和其他 5 位同事。
新設計不再使用傳統電池，而是采用了燃料電池的思路。它有一個顯著的優勢，可以快速加注燃料來產生電能，而不是緩慢地給電池充電。這種特定的燃料電池使用液態鈉金屬作為能源，這是一種成本低廉且廣泛可得的材料，另一種成分則是普通的空氣。兩者之間的一層固體陶瓷層有助于鈉離子的移動，空氣一側的特殊電極則會引發反應產生電能。
" 我們預計人們會認為這是一個極其瘋狂的想法，如果人們覺得這沒什么不妥，那我會感到相當失望，" 蔣業明說道。" 因為如果一個想法一開始聽起來并不瘋狂，那它可能也就沒有你想象的那么具有革命性。幸運的是，在這件事上大多數人都認為我是瘋了。"
能量密度高且供能持續
該系統利用液態鈉和周圍空氣，所提供的能量密度是目前電動汽車鋰離子電池的三倍——這有可能使電動飛機成為現實。蔣業明指出，這項技術具有極大的變革潛力。在航空領域，重量問題尤為關鍵，這種能量密度的提升或許能帶來突破性進展，最終使電動飛行在大規模應用方面成為可能。
他表示：" 要實現真正可行的電動飛行，所需的能量閾值大約為 1000 瓦時 / 千克。" 目前電動汽車的動力電池最高能量密度約為 300 瓦時 / 千克，遠遠達不到所需的水平。即便達到 1000 瓦時 / 千克，也無法滿足飛機跨大陸或跨大洋飛行的需求。
蔣業明稱，這種燃料電池所實現的能量密度與氫燃料電池在航空推進方面的潛力類似，雖然能比鋰離子電池實現更長的飛行距離，但被認為僅適用于區域航空，不適用于洲際飛行。這類航程范圍的飛行 " 約占國內航班的 80%，以及航空業排放量的 30%。"
這項技術還可能為海運和鐵路運輸等其他領域提供動力。" 它們都需要極高的能量密度，而且都需要低成本。" 他說道。" 這就是我們選擇鈉 - 空氣燃料電池的原因。"
在過去 30 年里，人們投入了大量的精力來研發鋰 - 空氣電池或鈉 - 空氣電池，但要使它們實現完全可充電一直是個難題。" 人們早就知道金屬空氣電池所能達到的能量密度，而且這一特性極具吸引力，但一直未能在實際應用中得以實現，" 蔣業明說道。
該團隊制作了該系統實驗室規模原型的兩種不同版本。其中一種被稱為 "H 型 "，采用了垂直的玻璃管結構，內部設有中央的固體陶瓷電解質以及多孔的空氣電極，兩側分別設有用于容納液態鈉和空氣的獨立管道，為中央管道中的電化學反應提供氧氣。隨著鈉燃料的逐漸消耗，反應不斷發生。
在第二種原型設計方案中，有助于反應進行的多孔空氣電極固定在托盤底部，反應室呈水平狀，有一個裝有電解質材料的托盤來存放液態鈉燃料，并將其置于陶瓷電解質和空氣電極之上。測試表明，在濕度可控條件下，該系統每千克的發電量可達 1700 瓦時——遠遠超過了目標的 1000 瓦時標準。
由于鈉在約 98 攝氏度時會變成液體，所以這些裝置在 110 攝氏度至 130 攝氏度的中等溫度下運行，這種溫度對于在飛機或船上使用來說是可行的。氫燃料電池雖然能夠實現較高的能量密度，但這需要將氫以高壓形式儲存，并且通常需要在極低的溫度下進行儲存。
研究人員發現，空氣濕度對于使電化學反應高效至關重要，這使得鈉能夠以液態而非固態形式產生放電產物。這使得放電產物更容易通過系統中的空氣流動被清除。博士研究生凱倫 · 蘇加諾解釋道：" 關鍵在于我們能夠形成這種液態排放產物，并且能夠輕松將其清除，這與在干燥條件下會形成的固體排放物截然不同。"
" 我們在設計電極時借鑒了燃料電池研究的經驗，同時也參考了較早的高溫電池研究以及一些新興的鈉 - 空氣電池研究，并將它們融合在一起。" 薩伊赫 · 甘蒂 - 阿格拉瓦爾表示，這促成了團隊所取得的 " 性能大幅提升 "。
不花錢還讓碳排放為負值
研究人員設想，在飛機上像堆疊餐廳托盤一樣堆疊燃料電池。隨著鈉金屬在提供電力時會發生化學變化而被消耗，會有一種類似噴氣式飛機尾氣的副產品被排出。
" 當你以鈉金屬為起始材料時，就會發生一系列自然的化學反應。" 蔣說道，" 這一切都是自發進行的。我們無需做任何干預，只需讓飛機起飛即可。"
此外，還有一個好處是，如果最終產物碳酸氫鈉最終進入海洋，它能夠幫助降低海水的酸度，并能將二氧化碳以穩定的形式捕獲下來，從而抵消溫室氣體帶來的破壞性影響。這些解決方案已被認為是應對氣候變化的有效方法，但由于成本過高而尚未得到實施。" 但在這里，它是副產品，" 蔣業明解釋道，所以它實際上是免費的，能帶來環境效益且無需成本。
更安全便宜且易于補充
" 這是一個頗具創意的電池設計理念，" 德國吉森大學物理化學研究所（Institute of Physical Chemistry at the University of Giessen in Germany）的教授尤爾根 · 詹克（J ü rgen Janek）說道。他并未參與此項研究，但此前確實進行過關于鈉 - 空氣電池的研究，他認為將這種化學原理應用于燃料電池中是一種全新的嘗試。
" 這種燃料電池的關鍵問題之一就是安全性。" 詹克說道，因為與鋰金屬一樣，鈉金屬的化學活性極高，如果接觸到水分就會自行燃燒。當被問及這個問題時，蔣業明說：" 只要是高能量密度的電池，安全性始終是個問題，因為如果將兩種反應物隔開的膜破裂，就可能會引發失控反應。"
這種新型燃料電池在本質上比許多其他電池都要安全得多，經過精心設計，它能夠將燃料與空氣隔離開，需要能量時才進行反應，降低了失控反應的風險。與高能量鋰電池相比，它使用陶瓷電解質以及避免在附近放置兩種高度集中的反應物質，進一步提升了安全性。
要生產出足夠的鈉金屬，才能讓這項技術在全球范圍內的廣泛應用和全面推行。這應該是可行的，因為這種材料此前曾大規模生產過。在含鉛汽油盛行時期，鈉金屬就被用于制造添加劑四乙基鉛（tetraethyl lead），當時美國年產量達到了 20 萬噸。" 這讓我們想起，鈉金屬曾經在美國大規模生產，并且得到了安全的處理和配送。" 蔣業明說道。
盡管目前的產量大幅降低，但鈉主要來源于氯化鈉，因此儲量豐富，在全球范圍內分布廣泛，并且易于提取，熔點低（只有 98 攝氏度），這使其更易于處理和加注。
明年開啟無人機飛行測試
研究團隊的成員已經成立了一家名為 Propel Aero 的公司，致力于將這項研究商業化，公司目前已入駐 MIT 創業孵化器 The Engine。該項目獲得了美國能源部高級研究計劃局（ARPA-E）Propel-1K 項目的資助，以及突破能源聯盟（Breakthrough Energy Ventures）和美國國家科學基金會（National Science Foundation）的支持，并使用了麻省理工學院納米技術中心（MIT.nano）。
接下來的步驟是繼續進行研究，以提高電池的性能和能量密度，并開始設計小型系統。該團隊計劃先制造一個磚頭大小的燃料電池，能提供約為 1000 瓦時電量，足以為大型無人機提供動力。該團隊希望在明年內準備好這樣一個演示產品。
目前這項技術還處于研發階段，距離大規模商業應用還有距離。正如蔣業明所言：" 這項技術或許不會在明年實現飛行應用，但它展現了未來十年電動航空發展的重要潛力。"
