比鋰電池便宜又長壽,MIT 教授領軍研發全新技術,讓電池用 10 年還有 99% 儲電能力!

【我們為什麼挑選這篇文章】一直以來,我們的電池技術都無法有重大突破,除了儲電量以外,就是電池的壽命問題:一般電池大約於二到三年的循環使用後,儲電能力就話大幅下降,不得不更換電池。

對此,來自 MIT 的教授帶領研究團隊,研發出一款全新的液態金屬電池,號稱每天完整充放一次可以用 4000 次,相當於十年的時間,而且還能保有 99 %的儲電量,技術上可達到接近永久的儲電能力!

到底原理是什麼,教授對這款技術又有什麼計畫呢?讓我們一起來了解。(責任編輯:林厚勳)

近日,MIT 材料科學與工程系教授 Donald Sadoway 在《麻省理工科技評論》和 Deeptech 深科技舉辦的 EmTech China 峰會上公開了他們正在研發的一款液態金屬電池。據其介紹,在室溫之下,這款產品壽命為 4 年,它可以做到超過 4,000 次的充放電——相當於每天充放電一次可以使用 10 年,並且依然能保有原始容量的 99%,電池損耗率非常低。

Sadoway 表示,預計到 2019 年年底,第一批產品將交付給客戶。

以下為 Donald Sadoway 演講內容實錄:

我想和大家談的是儲能方面的創新,以及儲能與其它一些領域的創新有何不同。和業界的做法不同的是,我們做事情多了些學院派的色彩,也就是說,我們現在所做的事情,可能是以前人們從來沒有做過的。

那既然我們想要變革現有的整個行業,必然會耗費巨大的成本,所以我們需要在研究的階段就開始考慮控制成本的問題。

對於現代社會來講,電力往往和現代化緊密掛鉤,所以電力網路就顯得格外重要,我甚至可以說電力網路就是世界上最大的供應鏈,而且要求零庫存。

(如上圖所示,地區上大部分地區都被黑夜籠罩,顯然那裡急需電力供應)
(如上圖所示,地區上大部分地區都被黑夜籠罩,顯然那裡急需電力供應)

但要解決這個問題,就勢必要涉及到儲能的廣泛應用。比如對於太陽能、風能這些可再生能源來說,它們普遍都具有間歇性供應的問題,所以如果要更好地發揮它們的效能,就必須要有一整套的儲能解決方案。

那現有的儲能技術發展的如何呢?

現狀恐怕並不樂觀。首先是大規模的儲能設施並不像我們手機電腦上的電池一樣簡單,它必須滿足安全穩定運行二三十年,否則就是一場災難。

另外,還必須保證其能夠在運行上做到操作足夠靈活,這也是其穩定運行的前提。還有很重要的一點就是要嚴格控制生產成本。

在這裡插一句,電池是由一位名叫 Alessandro Volta 的意大利教授發明的,在意大利 10,000 里拉的紙幣上印有他的頭像。而且 Alessandro Volta 教授還有特別值得提的一點,那就是他證明了一位教授可以將自己的研究轉化為有益的社會實踐。

這也極大地啟發了我所從事的電池研究。首先,我意識到,我需要我的團隊一起齊心協力,另外還有一點,要從設計伊始就要綜合考慮到給製造商提供一定的生產便捷性。

但我們也在研發過程中受到了質疑,因為對於兆瓦級別的大型發電廠來講,小小的一枚電池似乎怎麼看都不太能滿足他們的儲能需求,就更不要提改變世界了。的確也有電池行業內的人說我們是瘋了,但我想說的是,不要只著眼於固有的行業和已有的發明,一定要有創新。

所以我就把目光投向了電解鋁行業, 他們通常都配有很大的設備,一天 24 小時不間斷工作,而規模效應會帶來成本的降低,他們獲取 1 千克鋁的成本不足 1 美元。受此啟發,我們將電解鋁的步驟逆向操作,發明了液態金屬電池,就可以實現大規模且廉價的電力存儲。 這就是我們以不同的視角去看待問題所帶來的好處。

(液態金屬電池結構,最底層是液態銻,中層是熔鹽電解質,上層是液態鎂,熔鹽處在兩層液態金屬的中間)
(液態金屬電池結構,最底層是液態銻,中層是熔鹽電解質,上層是液態鎂,熔鹽處在兩層液態金屬的中間)

我的團隊成員,其中沒有任何一個是電池方面的專家,之前甚至都沒有接觸過電化學相關的研究,但他們都是聰明、沒有偏見且無所畏懼的青年才俊,可以做出傑出的成果。

當然,進展也並不是一帆風順的,一開始的時候,實驗總是失敗,但經過幾年的研究之後,我們創造了奇蹟,我相信二三十年之後,我們一定能夠做出更多的成績。

最後,談一下我們的電池的效能,我們檢測了 1000 多種電池,它們的成本都是非常低的。我們也取得了很多的科學成就,我們於一週前發表於《Nature Energy》的一篇文章,裡面記錄了我們的一些進展。

可以說,我們的電池是非常特別的,它有很長的循環壽命,而且它的容量十分穩定。從下面這張圖表可以看出, 隨著使用時間的延長,整個電池的損耗率也是非常低的,即便每一天都進行充放電操作,持續使用 10 年之後依然可以確保它能夠保持初始容量的 99%。

在取得了技術上的突破之後,我和我的學生們一起成立了一家公司 AMBRI 來專門生產液態金屬電池。我們獲得了來自比爾‧蓋茨的 A 輪投資,預計產品將會在兩年後面世。

這裡透露一下產品的具體訊息:

  • 體積為 18 立方米;
  • 儲電量 1,000 kWh,功率為 350 kW;
  • 支持 1,000 伏直流電;
  • 總重 15 噸,合計每千克儲能 67Wh,要比鋰電池便宜。

在室溫之下,我們的產品的壽命為 4 年,但它卻可以做到超過 4,000 次的充放電——相當於每天充放電一次可以使用 10 年,而且正如前面所提的,它可以在經過 4,000 餘次的充放電後依然保有原有容量的 99%。

最後,我想交流一下我的兩點思考:

1、我們要有勇氣去走出鋰電池的框架,從中有所借鑑來發明我們自己的儲能系統。

2、我們發現傑出的年輕人能夠給我們很多靈感,激發我們去發明創造新的東西,只要有理性、毅力並堅持,就可以將微弱的可能性,轉換為不可阻擋的突破。

記者:現在有一些新的材料,比如說固態電池、液態電池還有用石墨烯做添加劑的,您對這些新材料的商業前景是怎麼看待的?2020 年之前會不會有一個新材料超過鋰電池這樣的?

Donald Sadoway:一個關鍵詞就是它的性價比,其實就是我們看到,這麼多年來,有新材料不斷湧現。目前我們用的主流鋰電池,最初的發現是 1985 年,約翰他們發現的。後來在 1990 年的時候,用了它的另外一種變種石墨烯。目前來講,在性價比上,它的表現是最好的。

但是,你提到的那些新的材料,包括還有我們沒有聽說過的, 最後卻銷聲匿跡了,什麼原因呢?就是因為成本太高,無法廣泛使用,石墨烯目前也只能小批量的生產。

記者:中國去年一年新能源汽車的銷量一共是 77 多萬多輛,所以未來幾年淘汰下來的動力電池在二次利用或者是儲能方面有沒有一些建議?

Donald Sadoway:這個問題裡面最重要的還是成本問題。我們目前主流的鋰電池,其實電池裡面的分子、層次、結構太複雜了,可以回收,但是要把這麼複雜的成分提取出來,循環使用,這個回收就沒有很大的一個經濟價值,還不如不循環利用。

今天演講也提到了液態金屬,甚至是說它是可以「永生」的,一直可以循環利用。為什麼呢?因為,它相對來說結構就比較簡單,即使外面的外殼被腐蝕掉了,裡面的液態金屬可以相對容易的提取出來,放在另一個外殼裡面,就可以循環使用了。

因此,當我們看到目前人們有這樣的一個環保意識,本身是一件好事,但我們也要反思,是不是有的時候我們過度熱情了,或者把循環利用的概念誇大了,而沒有去做綜合考量。今後如果要循環利用,除非電池結構就不要這麼複雜,能用更加方便、更加低的成本去回收循環利用,這個問題才能得到解決。

記者:您開了一家液態金屬電池的公司的商業化進度是怎樣的?

Donald Sadoway:我們公司是 2010 年成立的,2011 年正式開始運作,現在已經是 7 年的時間了,你可能會想為什麼這個商業化的流程這麼慢,那時因為我本身是一個化學老師,從實驗室走到工業化的量產,這個當中有大量內容需要去學習,包括電子管理、能源管理等方面。

也需要高度的可靠性,也就是說你要達到 6σ 的管理水平,100 萬個部件裡面只有一個不達標,這樣的容錯度才能被接受,而不是像實驗室 1000 個裡面有 1 個不達標的標準就可以了。

預計到 2019 年年底的時候,也就是說從現在開始還有兩年左右的時間,第一批商業化的產品,應該是可以交付到客戶的手裡面了。

記者:對於液態金屬電池的技術,目前有哪些潛在的客戶對你們非常感興趣,或者是已經有過接觸了?

Donald Sadoway:的確有不少的客戶來詢問,因為大家對這個很感興趣,但我們非常的謹慎,希望不過度拉高客戶的預期,但的確也很有前景。

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(本文經合作夥伴 雷鋒網 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈 壽命長還比鋰電池便宜,MIT 教授要推一款「永生牌」液態金屬電池 〉,首圖來源:pxhere,CC Licensed。)

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