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近年來(lái)越來(lái)越多新電池技術(shù)取得關(guān)鍵性進(jìn)展，對(duì)鋰電池的絕對(duì)霸權(quán)發(fā)起挑戰(zhàn)。

2020年新能源公司QuantumScape已經(jīng)制造出帶有陶瓷層的固態(tài)電池，同其美國(guó)另一家創(chuàng)業(yè)公司Solid Power也生產(chǎn)出了多層固態(tài)電池。進(jìn)入2021年后這一趨勢(shì)更為明顯，先是寧德時(shí)代發(fā)布了商用版本的鈉離子電池，而近期電池初創(chuàng)企業(yè)Form Energy也公開(kāi)了一項(xiàng)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)背后的電池技術(shù)——鐵-空氣電池，并表示鐵-空氣電池其表現(xiàn)超過(guò)了鋰離子電池，目前已經(jīng)接近商業(yè)化階段。

金屬空氣電池

在Form Energy取得鐵-空氣電池關(guān)鍵性突破之前，鐵-空氣電池相較于火熱的固態(tài)電池、鈉離子電池更不為人所知，本質(zhì)上鐵-空氣電池仍然屬于金屬-空氣電池的分支。

金屬空氣電池是以金屬為燃料，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能的一種特殊燃料電池。金屬空氣電池與常見(jiàn)的化學(xué)電池一樣，也是由正極、負(fù)極、電解液三大部分構(gòu)成，其中正極板由金屬導(dǎo)電網(wǎng)、防水層、催化層壓制而成，正極以空氣中的氧氣作為活性物質(zhì)，在放電過(guò)程中，氧氣在三相界面上被電化學(xué)催化還原為氫氧根離子。

金屬空氣電池的負(fù)極為金屬，主要以電極電位較負(fù)的金屬如鎂、鋁、鋅、汞、鐵等作負(fù)極材料；電解液有固定使用與循環(huán)使用兩種方式，目前根據(jù)使用要求主要有KOH、NaOH、NaCI及海水。金屬空氣電池最突出的優(yōu)點(diǎn)即其可以將高能量密度的金屬負(fù)極與具備開(kāi)放結(jié)構(gòu)的活性空氣正極材料相結(jié)合，節(jié)約成本，提高比能量密度。


制作金屬空氣電池，可選用的原材料比較豐富。目前已經(jīng)取得研究進(jìn)展的金屬空氣電池主要有鋁空氣電池、鎂空氣電池、鋅空氣電池、鋰空氣電池等，其中鋅-空氣、鋁-空氣電池的應(yīng)用范圍最為廣泛。

例如日本三洋公司已制出大容量的二次鋅-空氣電池，采用空氣和電液受力循環(huán)的辦法，研制出電壓為125V容量為560A·h的牽引車用的鋅-空氣電池。再比如美國(guó)加利福尼亞州在使用鋁-空氣電池的電動(dòng)汽車上，有過(guò)只更換一次鋁電極行駛里程便達(dá)1600km，美鋁加拿大公司和以色列公司Phinergy新展示的100公斤重的鋁-空氣電池也能儲(chǔ)存行駛3000公里的電量……

除了比能量高外，金屬空氣電池還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)——壽命長(zhǎng)，一般的金屬空氣電池的可循環(huán)次數(shù)高達(dá)10000次，而當(dāng)前主流的鋰電池充放電可循環(huán)次數(shù)僅在3000左右，不過(guò)由于金屬空氣電池正極需要空氣作為活性物質(zhì)，故極易造成電解液的干涸從而影響實(shí)際使用壽命，但鐵-空氣電池突破了這一束縛。

鐵-空氣電池

宣布在鐵-空氣電池領(lǐng)域取得重大突破的是一家名為Form Energy的電池初創(chuàng)企業(yè)，據(jù)悉成立短短十年的Form Energy便得到了貝索斯、比爾蓋茨等人的支持，至今已完成共計(jì)3.25億美元融資。而在籌集了數(shù)億美元并對(duì)十年的研究進(jìn)行了改進(jìn)之后，F(xiàn)orm Energy在近期終于向向世界贈(zèng)送了一個(gè)能源技術(shù)的圣杯。


將我們的社會(huì)過(guò)渡到清潔能源的最大挑戰(zhàn)是太陽(yáng)能和風(fēng)能是不穩(wěn)定的、斷斷續(xù)續(xù)的。太陽(yáng)只在某些時(shí)候照耀，風(fēng)只在某些日子吹拂。因此，我們需要一種方法來(lái)儲(chǔ)存大量的能源，以便在那些沒(méi)有風(fēng)能和太陽(yáng)能的荒蕪時(shí)期為家庭和其他建筑物供電。到目前為止，我們已經(jīng)將清潔能源儲(chǔ)存在鋰離子電池中，但這種能源儲(chǔ)存方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。

鋰離子電池可能具有較高的能量密度和效率，但它們是使用一些不同的元素，包括鋰、鈷、鎳和錳，通過(guò)有害和復(fù)雜的提取方法從地球上開(kāi)采出來(lái)。提取鋰需要大量的水，在提取過(guò)程結(jié)束后會(huì)使富含鋰的地區(qū)變得干燥。所需的眾多元素意味著鋰電池的存儲(chǔ)成本為每千瓦時(shí)50-80美元，但它們可以持續(xù)工作的周期也就3000次（或10-15年）。

在鋰電池的正常生命周期內(nèi)，它們也容易發(fā)生危險(xiǎn)的燃燒事件，由此產(chǎn)生的火災(zāi)可能難以撲滅。然而，到目前為止，它們最大的缺點(diǎn)是，它們每次只能向電網(wǎng)釋放4小時(shí)的能量。鑒于每天有大約12個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間為用電高峰的夜晚，以及可能跨越一周的風(fēng)暴，4小時(shí)不足以滿足能源需求。由于這個(gè)原因，我們的社會(huì)還不能依靠清潔能源。從來(lái)沒(méi)有一個(gè)足夠有效的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以補(bǔ)充鋰離子電池，使我們的社會(huì)完全轉(zhuǎn)向清潔能源基礎(chǔ)設(shè)施。

只是這一事實(shí)可能剛剛發(fā)生了變化。


Form Energy公司公布的鐵-空氣電池的部分魅力在于它的簡(jiǎn)單性，只有兩種常見(jiàn)的主要成分——鐵和空氣，因此被稱為鐵-空氣電池。雖然鐵的提取也會(huì)導(dǎo)致空氣和水的污染，但鐵-空氣電池可以地完成充電放電周期可以長(zhǎng)10000次，而鋰的循環(huán)次數(shù)只有3000次（這相當(dāng)于鐵-空氣電池可以使用30年，而鋰只有10年）。鐵在地殼中的含量也更多，使它的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電池與其他金屬空氣電池所需的各種元素，其每個(gè)電池在每千瓦時(shí)的存儲(chǔ)中只需花費(fèi)價(jià)值6美元的材料，并且完全成型的電池系統(tǒng)的成本將低于每千瓦時(shí)20美元，使其總體上比鋰離子電池便宜得多，F(xiàn)orm Energy公司對(duì)其電池的最新評(píng)估認(rèn)為其成本低至鋰單元的十分之一。

但這還不是他們最令人興奮的地方，F(xiàn)orm Energy公司的創(chuàng)新在于其推出的鐵-空氣電池是一種固體電解質(zhì)的靜態(tài)電池，而不是使用電解液的液流電池，具有不可燃、耐高溫、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)的特性，同時(shí)能量密度也更有優(yōu)勢(shì)，鈷酸鋰的電解質(zhì)溶液充電到4.45V，三元材料可以充電到4.35V便會(huì)被氧化，而固體電解質(zhì)可達(dá)到5V，有利于提升電池系統(tǒng)的能量密度。

鐵-空氣電池是一個(gè)可充電150小時(shí)的系統(tǒng)，這意味著它們可以為電網(wǎng)提供超過(guò)6天的電力。我們的社會(huì)將最終擁有一個(gè)安全的、全可再生的電網(wǎng)，使我們能夠完全脫離化石燃料發(fā)電廠。而且我們不必再等太久就能做到。Form Energy的下一階段是向電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)電廠發(fā)展，計(jì)劃在2023年建立一個(gè)示范工廠，并在2025年將功能齊全的長(zhǎng)壽命鐵電池投入電網(wǎng)。已經(jīng)有幾家公用事業(yè)公司正在與Form Energy公司就部署其新電池進(jìn)行溝通，這可能正是讓美國(guó)實(shí)現(xiàn)到2035年實(shí)現(xiàn)無(wú)碳化的目標(biāo)。

但是，鐵-空氣電池究竟是如何達(dá)到這一效果的呢？它是通過(guò)被稱為可逆生銹的東西發(fā)生的。一個(gè)單一的大型電池單元可以包含10-20個(gè)電池堆。在這些電池中，有三個(gè)主要部分：陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)。這些是構(gòu)成任何電池的主要部分，使其能夠產(chǎn)生和儲(chǔ)存電力。在這種情況下，陽(yáng)極是由鐵球組成的，而呼吸空氣的陰極位于另一端。這兩個(gè)部分都浸沒(méi)在水基電解質(zhì)中，允許進(jìn)入的空氣與鐵發(fā)生反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)將鐵氧化成氫氧化鐵，在這個(gè)過(guò)程中釋放出電子。然后，它進(jìn)一步將鐵氧化成鐵銹--這個(gè)過(guò)程釋放出更多的電子并為我們提供電力。所有這一切意味著，在放電過(guò)程中，鐵銹會(huì)在陰極堆積，但在充電階段，通過(guò)電池單元的電流會(huì)逆轉(zhuǎn)反應(yīng)，使氧氣從鐵銹中釋放出來(lái)，鐵又被還原了回來(lái)。


鐵-空氣電池并不能取代鋰電池，在很多情況下鐵-空氣電池并不合適，因?yàn)樗鼈兲^(guò)笨重，在要求輕便的領(lǐng)域，如手機(jī)、電腦，甚至電動(dòng)汽車領(lǐng)域都不合適。鐵-空氣電池的真正用武之地還是在家庭、電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等固定場(chǎng)景做電力儲(chǔ)存，是我們向清潔能源過(guò)渡的最后一塊。如果風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能和地?zé)崮苣軌蚺c鋰離子電池一起提供我們80%的電力，那么最后的20%則又希望用鐵-空氣電池來(lái)解決。 

原標(biāo)題：鐵-空氣電池取得新進(jìn)展