编译 / 钱亚光

设计 / 琚   佳

来源 / news.mit.edu, scitechdaily.com, www.technologyreview.com

传统锂电池在重量相同的情况下所能储存的能量已接近极限。这成为了电动交通领域未来发展的重大障碍，尤其是对于像飞机、火车和轮船这类耗能巨大的设备而言。

如今，麻省理工学院（MIT）的新研究或许能提供一种突破性的解决方案。麻省理工学院材料科学与工程教授蒋业明（Yet-Ming Chiang）为首的的研发团队开发出了一种革命性的钠-空气燃料电池（sodium-air fuel cell），有望在航空、铁路和海运领域作为动力来源。

蒋业明教授来自中国台湾，是美国工程院院士，目前最优秀的材料学家之一，曾研究出用铝、铌、锆等三种金属做正极的超级锂电池。他还创办过A123 Systems、Form Energy等多家影响深远的能源科技公司。

承载这项成果的论文《用于高能量密度和低成本电力的钠-空气燃料电池（Sodium-Air Fuel Cell for High Energy Density and Low-Cost Electric Power）》，5月27日发表在《焦耳（Joule）》杂志上，作者包括麻省理工学院的博士生凯伦·苏加诺（Karen Sugano）、苏尼尔·迈尔（Sunil Mair）、萨伊赫·甘蒂-阿格拉瓦尔（Saahir Ganti-Agrawal）以及蒋业明和其他5位同事。

新设计不再使用传统电池，而是采用了燃料电池的思路。它有一个显著的优势，可以快速加注燃料来产生电能，而不是缓慢地给电池充电。这种特定的燃料电池使用液态钠金属作为能源，这是一种成本低廉且广泛可得的材料，另一种成分则是普通的空气。两者之间的一层固体陶瓷层有助于钠离子的移动，空气一侧的特殊电极则会引发反应产生电能。

“我们预计人们会认为这是一个极其疯狂的想法，如果人们觉得这没什么不妥，那我会感到相当失望，”蒋业明说道。“因为如果一个想法一开始听起来并不疯狂，那它可能也就没有你想象的那么具有革命性。幸运的是，在这件事上大多数人都认为我是疯了。”

能量密度高且供能持续

MIT所提出的燃料电池具有两个独立的腔室，一个装有液态钠金属，另一个则充满空气。钠原子穿过一层固体陶瓷电解质屏障，与空气一侧多孔电极上的氧气发生反应，产生电能。他们设想的系统将使用可重复填充的密封容器，来装载液态钠金属。当其耗尽时，会被送回补给站并重新装入新的钠金属。

该系统利用液态钠和周围空气，所提供的能量密度是目前电动汽车锂离子电池的三倍——这有可能使电动飞机成为现实。蒋业明指出，这项技术具有极大的变革潜力。在航空领域，重量问题尤为关键，这种能量密度的提升或许能带来突破性进展，最终使电动飞行在大规模应用方面成为可能。

他表示：“要实现真正可行的电动飞行，所需的能量阈值大约为1000瓦时/千克。”目前电动汽车的动力电池最高能量密度约为300瓦时/千克，远远达不到所需的水平。即便达到1000瓦时/千克，也无法满足飞机跨大陆或跨大洋飞行的需求。

蒋业明称，这种燃料电池所实现的能量密度与氢燃料电池在航空推进方面的潜力类似，虽然能比锂离子电池实现更长的飞行距离，但被认为仅适用于区域航空，不适用于洲际飞行。这类航程范围的飞行“约占国内航班的80%，以及航空业排放量的30%。”

这项技术还可能为海运和铁路运输等其他领域提供动力。“它们都需要极高的能量密度，而且都需要低成本。”他说道。“这就是我们选择钠-空气燃料电池的原因。”

在过去30年里，人们投入了大量的精力来研发锂-空气电池或钠-空气电池，但要使它们实现完全可充电一直是个难题。“人们早就知道金属空气电池所能达到的能量密度，而且这一特性极具吸引力，但一直未能在实际应用中得以实现，”蒋业明说道。

MIT钠燃料电池研发团队主要成员。从左到右：萨伊赫·甘蒂-阿格拉瓦尔、凯伦·苏加诺、苏尼尔·迈尔、蒋业明 来源：Gretchen Ertl

该团队制作了该系统实验室规模原型的两种不同版本。其中一种被称为“H型”，采用了垂直的玻璃管结构，内部设有中央的固体陶瓷电解质以及多孔的空气电极，两侧分别设有用于容纳液态钠和空气的独立管道，为中央管道中的电化学反应提供氧气。随着钠燃料的逐渐消耗，反应不断发生。

一个被称为“流体电池（flow cell）”的实验室规模原型 图片来源：Gretchen Ertl

在第二种原型设计方案中，有助于反应进行的多孔空气电极固定在托盘底部，反应室呈水平状，有一个装有电解质材料的托盘来存放液态钠燃料，并将其置于陶瓷电解质和空气电极之上。测试表明，在湿度可控条件下，该系统每千克的发电量可达1700瓦时——远远超过了目标的1000瓦时标准。

由于钠在约98摄氏度时会变成液体，所以这些装置在110摄氏度至130摄氏度的中等温度下运行，这种温度对于在飞机或船上使用来说是可行的。氢燃料电池虽然能够实现较高的能量密度，但这需要将氢以高压形式储存，并且通常需要在极低的温度下进行储存。

一小瓶液态钠金属 来源：Gretchen Ertl

研究人员发现，空气湿度对于使电化学反应高效至关重要，这使得钠能够以液态而非固态形式产生放电产物。这使得放电产物更容易通过系统中的空气流动被清除。博士研究生凯伦·苏加诺解释道：“关键在于我们能够形成这种液态排放产物，并且能够轻松将其清除，这与在干燥条件下会形成的固体排放物截然不同。”

“我们在设计电极时借鉴了燃料电池研究的经验，同时也参考了较早的高温电池研究以及一些新兴的钠-空气电池研究，并将它们融合在一起。”萨伊赫·甘蒂-阿格拉瓦尔表示，这促成了团队所取得的“性能大幅提升”。

不花钱还让碳排放为负值

研究人员设想，在飞机上像堆叠餐厅托盘一样堆叠燃料电池。随着钠金属在提供电力时会发生化学变化而被消耗，会有一种类似喷气式飞机尾气的副产品被排出。

但有一个很大的不同之处，这种尾气中不会有二氧化碳。排放物是氧化钠（NaO），这种化合物会迅速与空气中的水分结合，生成氢氧化钠（NaOH），氢氧化钠很容易与二氧化碳结合，形成固体物质碳酸钠，碳酸钠进而会形成碳酸氢钠，也就是我们熟知的小苏打。

“当你以钠金属为起始材料时，就会发生一系列自然的化学反应。”蒋说道，“这一切都是自发进行的。我们无需做任何干预，只需让飞机起飞即可。”

此外，还有一个好处是，如果最终产物碳酸氢钠最终进入海洋，它能够帮助降低海水的酸度，并能将二氧化碳以稳定的形式捕获下来，从而抵消温室气体带来的破坏性影响。这些解决方案已被认为是应对气候变化的有效方法，但由于成本过高而尚未得到实施。“但在这里，它是副产品，”蒋业明解释道，所以它实际上是免费的，能带来环境效益且无需成本。

更安全便宜且易于补充

“这是一个颇具创意的电池设计理念，”德国吉森大学物理化学研究所（Institute of Physical Chemistry at the University of Giessen in Germany）的教授尤尔根·詹克（Jürgen Janek）说道。他并未参与此项研究，但此前确实进行过关于钠-空气电池的研究，他认为将这种化学原理应用于燃料电池中是一种全新的尝试。

“这种燃料电池的关键问题之一就是安全性。”詹克说道，因为与锂金属一样，钠金属的化学活性极高，如果接触到水分就会自行燃烧。当被问及这个问题时，蒋业明说：“只要是高能量密度的电池，安全性始终是个问题，因为如果将两种反应物隔开的膜破裂，就可能会引发失控反应。”

这种新型燃料电池在本质上比许多其他电池都要安全得多，经过精心设计，它能够将燃料与空气隔离开，需要能量时才进行反应，降低了失控反应的风险。与高能量锂电池相比，它使用陶瓷电解质以及避免在附近放置两种高度集中的反应物质，进一步提升了安全性。

要生产出足够的钠金属，才能让这项技术在全球范围内的广泛应用和全面推行。这应该是可行的，因为这种材料此前曾大规模生产过。在含铅汽油盛行时期，钠金属就被用于制造添加剂四乙基铅（tetraethyl lead），当时美国年产量达到了20万吨。“这让我们想起，钠金属曾经在美国大规模生产，并且得到了安全的处理和配送。”蒋业明说道。

尽管目前的产量大幅降低，但钠主要来源于氯化钠，因此储量丰富，在全球范围内分布广泛，并且易于提取，熔点低（只有98 摄氏度），这使其更易于处理和加注。

明年开启无人机飞行测试

目前该设备还只是一个小型的电池单元原型，蒋表示，该系统应该很容易就能扩大到实用的尺寸，从而实现商业化应用。

研究团队的成员已经成立了一家名为Propel Aero的公司，致力于将这项研究商业化，公司目前已入驻MIT创业孵化器 The Engine。该项目获得了美国能源部高级研究计划局（ARPA-E）Propel-1K项目的资助，以及突破能源联盟（Breakthrough Energy Ventures）和美国国家科学基金会（National Science Foundation）的支持，并使用了麻省理工学院纳米技术中心（MIT.nano）。

接下来的步骤是继续进行研究，以提高电池的性能和能量密度，并开始设计小型系统。该团队计划先制造一个砖头大小的燃料电池，能提供约为1000瓦时电量，足以为大型无人机提供动力。该团队希望在明年内准备好这样一个演示产品。

目前这项技术还处于研发阶段，距离大规模商业应用还有距离。正如蒋业明所言：“这项技术或许不会在明年实现飞行应用，但它展现了未来十年电动航空发展的重要潜力。”