MIT开发出“会呼吸的”电池，成本仅为当前技术的五分之一

当下最热门的新能源莫过于风能和太阳能，但是这两种能源的非持续性限制了其在供电网络中的大规模普及。而目前的新能源储存系统只能在特定地理位置使用，储存成本高达每千瓦时 100 美元。

近日，MIT 的研究人员研发出一种会呼吸的电池，成本仅为当前技术的五分之一。该电池不仅电量储存时间久，而且对于安装位置要求极低，同时还能实现了零排放。这种新型电池有望将新能源转化成可靠的电网供电源。

我们都知道，电池的阳极中充满了大量的廉价硫溶液，阴极则使用了可以不断吸收和释放氧气的充气盐溶液，用来中和电极之间游离的离子上的电荷。当阴极吸收氧气时，连接到外部电路的阳极就开始放电，当阴极释放氧气时，电子便会在阳极聚集，给电池充电。

在这项最新成果中，论文的作者之一、MIT 材料科学与工程系教授蒋叶明表示，“整个过程就像人类呼吸一样，只不过排出的是氧气，不是二氧化碳。”该研究由数名 MIT 教授、博士后、学者和学生共同完成，记载详细成果的论文刊登在《Joule》上。

图 | 研究团队合影

新型电池的化学材料成本（阴极，阳极和电解质材料）仅有锂电池成本的三十分之一，大量电池组成的系统可用来储存风能和太阳能生产的电力，储存时间从几天到几个月不等，成本只有每千瓦时 20-30 美元。

蒋教授于 2012 年加入美国能源部的能源储存研究中心，开始研发新型电池。这个长达 5 年的能源储存研究项目凝聚了 180 多名科研工作者的心血。蒋教授主要负责研发更高效的电池技术，降低电网的大规模电量储存成本。

图 | 能源储存研究中心

蒋教授表示，在过去的数十年里，电池技术的发展一直存在一个重大隐患：过于注重大能量密度的合成材料，导致了电池成本居高不下。例如，目前手机和电脑中最广泛使用的锂电池，其储存成本约为每千瓦时 100 美元。

蒋教授对其他 MIT 研究人员提议，“电池所使用的化学材料越来越贵，因为人们一味地追求高能量密度，这意味着我们或许应该换一个研究方向。如果我们想储存太瓦（10^12）级别的能量，我们不得不使用储量更丰富的材料。”

研究人员首先确定了阳极使用硫（溶液），一种来自天然气和石油精炼的副产品，它获取难度小，能量密度高，而且电能单位储存成本极低——仅次于水和空气。另一方面，寻找负极材料是一个不小的挑战。在保证电量生产效率的同时，还要满足成本低廉和稳定性高的性质。研究人员一度对此一筹莫展，直到一次实验室中的偶然发现才让项目柳暗花明。

这种物质就是高锰酸钾（对，没错，就是初中化学中用来制氧气的物质）。作为电池的阴极，它可以进行还原反应，让离子从阳极聚集到阴极，实现放电的目的。然而高锰酸钾的还原反应通常是不可逆的，因此电池无法充电。

抱着试一试的心态，研究人员尝试着逆转上述化学反应。逆转毫无疑问的失败了，然而阴极内部的空气发生了意想不到的氧化反应，电池充电成功了。“我们恍然大悟，意识到阴极无需特殊物质，阳极的硫（溶液）可以与氧气直接进行充电化学反应。”蒋教授感慨道。

利用该发现，研究人员发明了一种流体电池，电解质不断地在电极之间流动，在穿过反应池时给电池充电或放电。电池的阳极电解液由含有锂或钠离子的聚硫构成，阴极电解液由氧化溶解盐构成，电极溶液之间隔着一层薄膜。

图 | 电池原理示意图

放电的过程中，阳极的锂或钠离子游离至阴极，电子则被传输到外部电路中。与此同时，为了保持电中性，阴极会吸收氧气，产生带负电荷的氢氧根离子。上述过程反过来就变成了充电过程，阴极释放氧气的同时生成氢离子，后者通过外部电路将电子聚集到阳极上。蒋教授解释道，“吸收和释放氧气的过程就是一个保持整个系统电荷平衡的过程。”

该电池使用的化学材料都十分廉价，和其他充电电池相比，它的成本非常低，长时间放电非常划算。它的能量密度仅仅比锂电池低了一点点。卡内基梅隆大学副教授 Venkat Viswanathan 表示，“这是一个颇具创造性的新概念，有望成为超低成本的电网电力储存方法之一。”

尽管锂硫电池和锂空气电池（阴极是硫或氧气）算不上新概念，但是该研究的重点创新在于将两种概念合二为一，在保证效率和能量密度的基础上，创造出了一种廉价的电池。“这种设计可以立刻唤醒人们的想象力，能够启发更多的电池技术研究者。”

目前，该电池原型样本和咖啡杯的大小相似，不过流体电池可以大规模组装起来，构成更大的储存系统。

因为该电池可以持续放电长达数月，它非常适合储存像风能和太阳能这种丰富却非持续的新能源。“太阳能发电的间歇期约为 12 小时，而风能发电可能有更长的并且难以预测的间歇期。人们需要采取保守方案应对难以预测的情况，这需要电池具备长时间放电的能力，因为谁也不知道下次刮风是什么时候。季节性储存能力也很重要，尤其对于北方地区，因为夏季和冬季的光照时间差别很大。”

这有可能是第一个能够从成本和能量密度角度挑战抽水蓄能系统的技术。尽管后者严重受限于地理位置条件，但在世界范围内，它仍然是最主要新能源储存手段。

蒋教授表示，“这种流体电池的能量密度是抽水蓄能系统的 500 倍，而且体积更小，不受地理因素限制，适合在各种新能源发电站附近安装。”