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被提前發明了120年的電池

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2023年01月03日  

▲出現氫氣一度是愛迪生電池的一大危險之處,如今卻發揮了巨大用途。


據國外媒體報道,在19和20世紀之交時,托馬斯愛迪生發明了一款可以出現氫氣的電池。而在120年后的今天,這款電池終于獲得了人們的認可。


在美國新澤西州西奧蘭治的一條碎石路上,一輛電動汽車從行人身邊飛馳而過。車子寬敞的內部空間顯然令一些人驚詫不已。它的速度是當時傳統車型的兩倍,卷起的塵土高高揚起,使街上拉車的馬匹忍不住皺了皺鼻子。


以上場景發生在20世紀初,而這輛車的主人便是托馬斯愛迪生。雖然電動汽車在當時已不是什么新鮮事物,但大多數都依賴沉重、笨拙的鉛酸電池。愛迪生則在自己的車上裝了一款新型電池,并且希望這種電池不久便能為美國各地的車輛供電。這款新電池屬于鎳鐵電池,最早由瑞典發明家恩內斯特瓦爾德馬爾揚格納于1899年申請專利,后經愛迪生改進并用在了汽車上。


愛迪生稱,這款鎳鐵電池極其耐用,并且充電速度是鉛酸電池的兩倍。他甚至和福特汽車達成了協議,準備生產這款據他所稱效率更高的電動汽車。


但鎳鐵電池的確存在一些問題。它的體積比當時使用得更廣泛的鉛酸電池要大,價格也更昂貴。并且它在充電時會放出氫氣,這樣既麻煩又危險。


不幸的是,等到愛迪生改進了自己的原型設計時,電動汽車已經逐漸被續航更久的化石燃料汽車取代。愛迪生和福特汽車的協議也就此擱淺。不過他的電池后來在其它方面得到了應用,比如鐵路信號燈。在這些地方,這款電池的龐大體積就不是個問題了。


但等到一個多世紀之后,工程師們便會發現,鎳鐵電池身上其實隱藏著巨大潛力。如今,人們正對它展開研究,希望它能解決風能和太陽能等可再生能源供應不穩、斷斷續續的問題。此外,它的副產物氫氣一度令人頭疼,如今看來卻可能是這款電池最大的用處之一。


大約2015年前后,荷蘭代爾夫特理工大學的一支研究團隊基于鎳鐵電池出現的氫氣、偶然為該電池找到了一種用武之地。在電池充電過程中,電流從電池中通過時會經歷一種化學反應,生成氫氣和氧氣。該團隊認為,該反應和用水生成氫氣的反應、即電解水反應類似。


▲傳統電解器也可以將可再生能源轉化為氫氣,但穆爾德希望能以更高效、更低廉的方式實現這一點。


在我看來,其中的化學原理是相同的。該團隊帶頭人弗科穆爾德指出。水的分解反應是出現氫氣燃料的一種途徑,并且只要驅動該反應的能量也由可再生能源出現,氫氣就是一種百分之百的清潔能源。


穆爾德和他的團隊還吃驚地發現,鎳鐵電池的電極開始分解水后,電極儲存的能量竟然變得比開始生成氫氣前還要高。換句話說,當鎳鐵電池同時被用作電解裝置時,它就變成了一臺性能更加優秀的電池。他們還驚訝地發現,該電池的電極可以很好地承受電解反應,而在傳統電池中,電解反應往往會令電池遭受嚴重耗損。另外,我們對該電池在上述過程中的能量效率也十分滿意,可以達到80%-90%。穆爾德指出。


穆爾德將他們的作品稱作電池電解器(battolyser),希望此次發現能有助于解決可再生能源的兩大重要挑戰:儲能能力,以及當電池充滿時制造清潔能源的能力。


我們經常聽到各種各樣有關電池和氫氣的討論,穆爾德指出,這兩個方向之間一直存在某種競爭關系,但我們其實二者都要。


可再生價值


風能和太陽能等可再生能源最大的挑戰之一在于,它們供應的能量總是難以預測、斷斷續續。例如,太陽能在白天和夏季供應的能量容易過剩,在夜間和冬季則又常常不足。


▲鎳鐵電池電解器有助于平衡太陽能和風能等能源的供求關系。


鋰電池等傳統電池可以在短時間內儲存能量,但一旦它們充滿了電,就必須將過剩能量釋放出去,否則便會過熱、出現耗損。而相比之下,鎳鐵電池電解器即使在充滿電后仍可保持穩定,只是繼續充電時會開始出現氫氣而已。


鎳鐵電池持久耐用,承受充電不足和過度充電的能力都比其它電池強。英國拉夫堡大學機械、電氣和制造工程學院助理研究員約翰巴頓指出,他也在對電池電解器展開研究,通過出現氫氣,電池電解器儲存能量的時間可以長達數天、甚至數月之久。


除了出現氫氣外,鎳鐵電池還有其它一些有用的特點。首先,它們無需經常維護。愛迪生在他的早期電動汽車上便已證實,鎳鐵電池極為持久耐用,有些已經持續使用了40年。此外,鎳和鐵這兩種金屬也比傳統電池使用的金屬更加常見。這意味著鎳鐵電池電解器關于可再生能源還有另一重意義:有助于提高利潤率。


和其它所有行業相同,可再生能源的價格也由供求關系決定。例如在陽光燦爛的日子里,太陽能可以供應充足的能量,造成能源價格下跌。而鎳鐵電池電解器則有助于削峰填谷,使這條價格曲線變得平滑一些。


當電價較高時,可以讓電池放電;而當電價較低時,則可以給電池充電、并出現氫氣。穆爾德指出。


能實現這一功能的不僅僅是鎳鐵電池電解器,較為傳統的堿性電池也可以做到這一點,并且在氫氣制造業中已經得到了廣泛運用。不過穆爾德認為,鎳鐵電池電解器的耐久性更強,因此成本更低、使用時間更長。電池電解器的支持者們也因此感到信心滿滿。


此外,雖然鎳鐵電池電解器的直接產物是氫氣,但也可以生成其它物質,比如氨氣或甲烷,這些比氫氣更易于儲存和運輸。假如安裝了一臺電池電解器,氨氣廠就可以持續運作,所需人工也會更少,進而減少運維成本,因此生成氨氣是在可持續前提下最劃算的一種選擇。穆爾德電池電解器的投資人、ProtonVentures公司董事長漢斯弗里安霍夫指出。


擴大規模


目前最大的鎳鐵電池容量和功率分別為15KW和15kWh,容量和長期氫氣儲量可以為1.5戶家庭供電。另外,荷蘭埃姆斯哈文發電廠正在籌建一臺30kW/30kWh的鎳鐵電池電解器,未來出現的氫氣足以滿足電廠所需。


一旦鎳鐵電池電解器在該發電廠通過了嚴格測驗,下一步就是進一步提高規模、分銷給綠色能源供應商,如太陽能和風能發電場等等。電池電解器支持者的終極目標是希望它們可以達到吉瓦級別,相當于400臺公共事業規模的風力發電機的總產量。不過除了新增規模之外,巴頓認為小型電池電解器也能發揮用武之地,可以為不依賴主供電網的偏遠社區使用的微型電網供能。


電池電解器的電極均由相比較較便宜和常見的金屬制成,這也是它的有利之處。并且和鋰不同,鎳和鐵在開采過程中不會出現大量廢水,也不會導致嚴重的環境破壞。


▲愛迪生在新澤西的實驗室是他許多發明的誕生地。有些在他生前便已聞名遐邇,有些則默默無聞。


不過,穆爾德和巴頓都認為,鎳鐵電池在效率和容量方面仍有一些障礙要克服。電池電解器假如進一步新增電池容量、或者減小內部電阻,可以受益良多。內部電阻和電池內部電流方向相反,內部電阻越大,電池效率就越低。穆爾德和他的團隊如今正在研究如何改進這一方面。


自從愛迪生在上世紀初開始研究鎳鐵電池以來,鎳鐵電池電解器的大部分潛力其實一直都擺在眼皮子底下,卻始終不曾被人發現。鎳鐵電池也許不像愛迪生想的那樣、適合為汽車供能,但可以加速向可再生能源的過渡,因此或將在廣泛取代化石能源的過程中發揮重要用途。

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