從天冷自動(dòng)關(guān)機(jī)的iPhone到深陷“爆炸門(mén)”的三星，手機(jī)中小小的鋰電池帶給我們?cè)S多煩惱。鋰電池的技術(shù)升級(jí)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(píng)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(wèn)題所在：研發(fā)沒(méi)人買單。
“技術(shù)突破是需要錢的。我們能指望誰(shuí)呢？即使是像蘋(píng)果這樣的巨頭，目前也沒(méi)在研發(fā)自己的電池技術(shù)，只是從市場(chǎng)上挑選購(gòu)買綜合性價(jià)比最高的電池。那下一個(gè)我們能指望誰(shuí)？美國(guó)政府？但實(shí)際上我們最近只看到相關(guān)部門(mén)的失責(zé)，他們沒(méi)有在正確的技術(shù)方向上投資。”薩多維告訴澎湃新聞。
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(guó)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(shí)到，化石燃料終有盡頭，但如果沒(méi)有有效的儲(chǔ)能設(shè)備，太陽(yáng)能毫無(wú)用處。
直到后來(lái)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(guò)，這一切不會(huì)動(dòng)搖他對(duì)研究方向的判斷——早在二十多年前，“汽車迷”薩多維便預(yù)見(jiàn)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(jí)儲(chǔ)能。
液態(tài)金屬電池
太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔電力近年來(lái)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(jí)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(guò)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(guò)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。“設(shè)計(jì)總是從元素周期表開(kāi)始的。”這是門(mén)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(zhǎng)，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(jiǎn)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(lái)，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(duì)“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)?ldquo;回收”過(guò)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(lè)罐的鋁包裝很容易回收，但沒(méi)人會(huì)用回收的鋁造飛機(jī)。“我們回收鋁難道是因?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(duì)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(wèn)題。”他說(shuō)。
對(duì)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(guò)于復(fù)雜，回收成本過(guò)高。因此，與其糾結(jié)“如何回收鋰電池”這個(gè)問(wèn)題，倒不如開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)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(kāi)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(wèn)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(wèn)題，薩多維需要把可靠性提高到6西格瑪，也即一百萬(wàn)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(cè)試運(yùn)行了4年，即使遭遇火災(zāi)也安然無(wú)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(méi)有可供發(fā)電的自然資源，長(zhǎng)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(yáng)能發(fā)電，儲(chǔ)能問(wèn)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(guò)來(lái)。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(guò)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。
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