跳出鋰電池框架，液態(tài)金屬電池或“永生”

從天冷自動(dòng)關(guān)機(jī)的iPhone到深陷“爆炸門”的三星，手機(jī)中小小的鋰電池帶給我們許多煩惱。鋰電池的技術(shù)升級能否更快一些？麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)系教授唐納德·薩多維（Donald Sadoway）近日在《麻省理工科技評論》和DeepTech深科技主辦的全球新興技術(shù)峰會(huì)上直白地指出問題所在：研發(fā)沒人買單。

“技術(shù)突破是需要錢的。我們能指望誰呢？即使是像蘋果這樣的巨頭，目前也沒在研發(fā)自己的電池技術(shù)，只是從市場上挑選購買綜合性價(jià)比最高的電池。那下一個(gè)我們能指望誰？美國政府？但實(shí)際上我們最近只看到相關(guān)部門的失責(zé)，他們沒有在正確的技術(shù)方向上投資?！?/p>

大約十年前，許多企業(yè)家找到薩多維，提出愿為他的電池研究買單：2008年，國際原油價(jià)格一度飆升至100美元以上。企業(yè)家們終于意識到，化石燃料終有盡頭，但如果沒有有效的儲(chǔ)能設(shè)備，太陽能毫無用處。

唐納德·薩多維

直到后來油價(jià)重新跌破40美元，薩多維又看到了外界投資熱情的回落。不過，這一切不會(huì)動(dòng)搖他對研究方向的判斷——

早在二十多年前，“汽車迷”薩多維便預(yù)見到電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展，從“耗電大戶”冶金業(yè)轉(zhuǎn)行研究電池。并且，薩多維大膽跳出了鋰電池框架，發(fā)明了一項(xiàng)目重新定義電池的成果：液態(tài)金屬電池，目標(biāo)指向電網(wǎng)級儲(chǔ)能。

液態(tài)金屬電池

太陽能、風(fēng)能等清潔電力近年來發(fā)展迅猛，但穩(wěn)定性仍需提高，且普遍存在棄光棄風(fēng)現(xiàn)象。另一方面，全球電力資源分配十分不平衡。薩多維判斷，人類若想擺脫化石燃料，必須在現(xiàn)有的電力系統(tǒng)中加入關(guān)鍵的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，讓電力在空間和時(shí)間上得到更合理的再分配。

同時(shí)，薩多維堅(jiān)信，受到能量密度、成本、安全性等因素和限制，鋰電池?zé)o法勝任電網(wǎng)級儲(chǔ)能。

電解鋁行業(yè)引起了研究冶金出身的薩多維的注意。電解鋁行業(yè)通常配有大型生產(chǎn)設(shè)備，24小時(shí)不間斷工作，以規(guī)模效應(yīng)降低成本，獲取1千克鋁的成本不足1美元。

受此啟發(fā)，薩多維團(tuán)隊(duì)嘗試將類似電解鋁的步驟逆向操作，在2009年得到了液態(tài)金屬電池，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模且廉價(jià)的電力存儲(chǔ)。

液態(tài)金屬電池由三層液態(tài)物質(zhì)從下而上組成：底層是液態(tài)銻，上層是液態(tài)鎂，中間由熔鹽電解液分割。

鎂失去兩個(gè)電子變成鎂離子，鎂離子渡過電解液，從銻分子中獲得兩個(gè)電子，形成鎂銻合金，這是放電的過程。與電源相連后，鎂銻合金分解，鎂離子“游”回上部電極，還原到初始成分。

薩多維還持續(xù)在元素周期表上檢索更廉價(jià)、表現(xiàn)更好的電池配方?！霸O(shè)計(jì)總是從元素周期表開始的?！边@是門捷列夫的名言。不久前，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)鈣這種廉價(jià)的金屬材料有望應(yīng)用到液態(tài)金屬電池，能提高電池電量輸出的潛力。

10年后電池容量保持99%

薩多維介紹道，目前液態(tài)金屬電池的壽命很長，損耗率低，即使每天進(jìn)行一次充放電操作，持續(xù)10年后仍能保有初始容量的99％。

薩多維甚至認(rèn)為，液態(tài)金屬電池可能是“永生”的。液態(tài)金屬電池結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)較鋰電池簡單，三層液態(tài)材料密封在堅(jiān)固外殼中。即使外殼逐漸腐蝕，里面的液態(tài)材料可以被非常便捷地提取出來，重新利用。從這個(gè)角度而言，液態(tài)金屬電池可能重新定義了電池回收。事實(shí)上，薩多維本人對“回收”有著獨(dú)特的思考。

電動(dòng)車電池的回收一直是外界關(guān)注的焦點(diǎn)。但薩多維卻認(rèn)為，人們大多時(shí)候?qū)Α盎厥铡边^于狂熱，凡事都想要回收，也是一種誤區(qū)。“回收”的本質(zhì)是性價(jià)比，絕不能為了回收而回收。

以鋁為例。雖然可樂罐的鋁包裝很容易回收，但沒人會(huì)用回收的鋁造飛機(jī)?！拔覀兓厥珍X難道是因?yàn)殇X不夠用了嗎？鋁是地殼中第三豐富的元素！只是飛機(jī)對鋁的純度要求很高，去除回收鋁中的雜質(zhì)，成本就比買新的鋁高了。我們要從經(jīng)濟(jì)效益的角度看問題。”他說。

對于鋰電池的回收，薩多維也并不看好。理論上，鋰電池中的成分可以回收，但其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，回收成本過高。因此，與其糾結(jié)“如何回收鋰電池”這個(gè)問題，倒不如開發(fā)結(jié)構(gòu)更簡單、更易回收的電池。

預(yù)期兩年內(nèi)交付產(chǎn)品

2011年，薩多維的液態(tài)金屬電池公司Ambri開張，獲得了包括比爾·蓋茨在內(nèi)的企業(yè)家投資。薩多維預(yù)期，首個(gè)商業(yè)化產(chǎn)品會(huì)在2020年前交付客戶。

商業(yè)化進(jìn)程中要克服哪些問題？薩多維團(tuán)隊(duì)最先造出的是容量只有1瓦時(shí)的元胞電池，他們稱之為“小酒杯”。而商業(yè)化的液態(tài)金屬電池產(chǎn)品，設(shè)計(jì)儲(chǔ)電量1000千瓦時(shí)，功率350千瓦，體積18立方米，總重量15噸，支持1000伏直流電。

由于生產(chǎn)工藝流程中可能會(huì)出現(xiàn)一些問題，薩多維需要把可靠性提高到6西格瑪，也即一百萬個(gè)部件里容錯(cuò)一個(gè)缺陷，遠(yuǎn)超實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)的千分之一。

目前，電池已穩(wěn)定安全地測試運(yùn)行了4年，即使遭遇火災(zāi)也安然無恙。但薩多維希望它的壽命能達(dá)到二三十年。

薩多維介紹了兩家有意向的客戶，都是電網(wǎng)上的“孤島”：夏威夷和曼哈頓。由于夏威夷島上沒有可供發(fā)電的自然資源，長期進(jìn)口柴油燃燒，曾是全美電費(fèi)最貴的地方。如今夏威夷正在大力發(fā)展太陽能發(fā)電，儲(chǔ)能問題亟待解決。

曼哈頓島上則有大量金融機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)的服務(wù)器，耗電量巨大，但電力均由紐約主城區(qū)輸配過來。如果要在用電高峰滿足曼哈頓島的電力需求，電網(wǎng)可能過熱崩潰。目前的一個(gè)替代方案是在哈德遜河底新修一條輸配電通道，但成本高昂。液態(tài)金屬電池，或許可以提供可行的儲(chǔ)能方案，有效調(diào)節(jié)用電峰谷。