电池外观或许不酷,但却是驱动未来科技的能量

时间:2020-07-25 02:39:06   作者:    885浏览
电池外观或许不酷,但却是驱动未来科技的能量

人们可能觉得电池是整个科技领域里最不起眼的产品,但它或许会驱动这个世界的未来。

智慧手机越做越薄,但是使用的电池技术依然没有升级,在追求极端设计的情况下,体积一成不变的电池塞进一个比其厚不了多少的机身,后果可想而知。同样的,笔记型电脑的处理器差不多每两年甚至一年就会升级,但电池容量仅比之前增加一点点。

在生活中最常用到的是锂电池,锂电池最大的问题就是易损坏。如果你有一支诺基亚手机扔在一边好久不用,电量已经耗尽,突然有一天怀旧感上心头,将它找出来充满电,你在等待它点亮萤幕的同时,这种深度放电和再充电会给锂电池带来很大的物理破坏,随着时间的推移这会损坏电池的效能,当然,日常的充电放电也会随着次数增加而加快锂电池的损坏。

然而,在未来的电源供应场景里,电池必不可少,电动车、工业规模的太阳能农场等都离不开电池。在过去 5 年里,储存能源的成本下降了一半,越来越多大公司开始大胆投资技术,最具代表性的就是特斯拉「gigagactory」电池工厂。可在人们日常生活中最常用到的锂电池,价格依然较高且不稳定。也正因如此,越来越多的新型燃料电池一直在研发中。

想要一种便宜又不会爆炸的电池,但……

「现在最大的问题仍然是电池价格过高,」 ARPA-E(Advanced Research Projects Agency-Energy,美国政府机构,负责促进和资助先进能源技术的研究开发)副主任艾力克‧罗尔芬(Eric Rohlfing)说。2012 年《自然》杂誌一项调查研究中指出,美国人平均每月只愿支付约 13 美元以确保使用可再生能源供应电源,因此电池无法再涨价了。

而对于公用设施的用电,美国人对供电的平均支付水平意味着,如果提供电网级能量的储存,其成本无法超过每千瓦时 100 美元。自 2009 年欧巴马政府上台,ARPA-E 就已投入 8,500 万美元用于研发能够实现这一目标的新电池。

然而,「每千瓦时 100 美元」 这个目标在电力工业来看近乎荒谬。因为到现在为止,连每千瓦时 700 美元的目标都还没达到。虽然上述目标到现在都没有实现,但它已成为整个电力能源工业的目标。

电池外观或许不酷,但却是驱动未来科技的能量

太阳能和风能。

此外,便宜的能源不一定可靠。可再生能源在持续电源供应的能力上或许没有化石能源可靠,如果用电需求突然增加,大规模启用太阳能发电是不现实的。太阳能电源供应的峰值在白天,而其电源供应能力随着云的移动不断变化,到了夜间就只剩余白天储存的量了。风力发电的可预测性就更低了。利用可再生能源发电,使电网变得不稳定,发生爆炸的可能性虽然不高,但可能会导致更加频繁的停电问题。

想造出便宜且可靠的电池,绝非易事。

有人在为新型电池努力

「我们一直没有更好的电动车,原因是我们没有合适的电池。」 MIT(麻省理工学院)的萨杜威(Sadoway)说。萨杜威对铝金属的冶炼有经验,他在思考冶炼铝的过程是否可成为一种新型电池的模型。铝的冶炼是一个非常廉价和能源密集的过程,透过该过程,纯净的金属得以从矿石中撷取出来。电池外观或许不酷,但却是驱动未来科技的能量

萨杜威研製的电池原型。

但重点并不是对撷取金属,而是整个过程。在萨杜威看来,如果能将整个撷取金属的单项过程在密闭环境中进行迴圈,在这个过程中所产生的能量或许能储存并使用,他把这称做「熔融电池」。

但在上述过程中,「熔融电池」的温度会达到 471°C,仅比汽车引擎的温度低一点,所以「熔融电池」用做电动车的引擎倒是比较合适。

除了过热问题,另一个更实际的问题是──研发资金。即便在这个专案的研发初期,ARPA-E 和法国石油巨头道达尔都有资助,但后续研究所需要的新技术花费相当高昂。面对遍地都是迅速获得利润的网际网路初创公司,风险投资者们鲜有冲动投入资金到工业或工程专案中,因为利润太低。或许这也是电池技术发展缓慢的原因。

新型电池初现成果

此外,在 APRA-E 资助的新型电池研究专案中,来自匹玆堡的 Aquion 公司所研发的电池,最具商业应用前途和竞争力。电池外观或许不酷,但却是驱动未来科技的能量

这个新型电池称做「盐水电池」(saltwater battery),这种电池最接近之前所说的便宜、可靠特徴,Aquion 公司的「盐水电池」所使用的盐、不鏽钢和棉等材料都是丰富易得的资源,而这些材料中没有一种物质具有锂电池的风险。除了不易燃和不易腐蚀,「盐水电池」的主要製造装备装置来自食品包装工业,组装电池就像把饼乾放进包装盒里一样简单。

目前 Aquion 的电池已上市近 3 年,在家庭和公用场景中都有用到,其在全球共部署了 35 百万瓦时的电力储存。一些区域及建筑在使用「盐水电池」电源供应后,因为价格低廉且安全,并没有选择回到化石能源电源供应的方式,而是继续使用前者。

即便 Aquion 的新型电池已在少数地区使用,但对很多人来说,研发电池并不是一份好差事。前面已说过,利润低、投资者不感兴趣;除此之外研发电池在很多人看来一点都不「cool」。来自 Aquion 的研究人员麦特‧马龙(Matt Maroon)从 2002 年就进入这个领域,而他在很长一段时间内都是整个团队中最年轻的人,因为没有更多人愿意做电池研发。

不过 15 年后的今天,情况有所转变,研发电池的人渐渐多了起来,麦特也终于不再是最年轻的那个。人们意识到利用电能是发展的趋势,它能帮助改善环境、提高资源的利用效率,而新型电池可以应用到更广泛的範围,家庭用电、公用设施用电、汽车用电等。

新型电池的应用还有很长一段路要走,就像当初发明了锂电池。人们在 1970 年代就开始研究锂电池,而到 1992 年才由 Sony 释出了首个商用锂电池,在漫长的完善和发展中慢慢进入我们的生活,进入我们的手机、电脑中。