液態電池——隱藏的登月動力神器

材料牛注：儲能電池一直是能源界研究的熱點問題。開發新型電池還是堅持舊式電池的開拓創新，美國能源科技孵化部門ARPA-E做出了自己的選擇。下面讓我們一探究竟。

據說，電網儲存的能源只是未完全公開的清潔能源的一半。隨著太陽能和風電場規模的擴大，需要有更多的柵極電網來儲存能量，以抵抗夜晚及無風多云的天氣。在商業化制造的今天，通過飛輪、壓縮空氣、超導體、抽水水庫、蓄熱器、氫氣、甚至軌道車的巖石上來儲存電能的方法也都在研究過程中。

但是ARPA-E（美國能源科技孵化部門）仍然保留著對我們熟悉的電化學電池的強烈關注，他們相信，這類電池會讓越來越多的太陽能和風能為我們供電成為可能。

ARPA-E在今年早些時候發表的一項報告中表明：自2009年以來，在電網儲能研發方面的投資達8500萬美元。該報告詳細介紹了該公司電網規模的電池計劃，包括預估的成本。該公司表示，其成本最終至少比2010年降低一個數量級。ARPA-E的研究人員說，這或許會讓他們在未來幾年變成商業上不可小覷的角色。

ARPA-E投資的一些技術和這個方向有關。ARPA-E技術部副主任Eric Rohlfing說， ARPA-E支持項目的投資組合，而不是在任何類別中選擇單一的贏家業務。“我們在ARPA-E里做了很多工作，其中一件事情是對技術項目進行了遴選。” Rohlfing說道， “雖然很多項目我們都喜歡，但我們還是要謹慎選擇。不能只是由于我看到一個水晶球，就說，'這個特殊的化學物質，這種特殊的液流電池將是解決能源問題的答案'，我認為這是不成熟的。”

Rohlfing認為上述的報告是ARPA-E投資的73個電網儲能項目中的一例，在幾年甚至幾個月前，這些項目的商業機會還是撲朔迷離。（IEEE在早前討論過其中一些項目。）

位于俄勒岡州的波特蘭的Energy Storage Systems（ESS）公司是這些電網規模的電池公司之一，現在已經將他們的電池安裝在工程師部署的兵團和加利福尼亞州納帕的一家釀酒廠內。它的技術是一種有前途的網格存儲思想新方法的范例：液流電池。

流體電池是燃料電池與傳統電池的混合體。液體電解質在電池的陰極和陽極兩側流動，它們被一層膜分離。電池的容量可以通過增加電解質擴展。如果這種方法在化學反應和工程應用中是可行的，這種電池就有足夠的容量來滿足電網規模的電力需求，同時它仍有價格低廉，無毒以及不易揮發的特點。當然，說起來容易做起來難。

“在這些液流電池系統中，我們看到很多的潛力，”Rohlfing說。“你有兩個可以儲存大量能量的大罐子。你可以很容易地擴展能量規模。活性介質是反應部分流過的一小部分。當我們第一次開始的時候，工程用材是釩。釩的使用使儲能系統仍然非常昂貴。我們所有的項目都在研究如何降低成本。因此，能量存儲系統用材從最初的釩，轉換到完全的氯-鐵離子。鐵是非常便宜的，或者更確切地說，銹便宜。”

ESS公司業務發展和銷售部的副總裁Bill Sproull說，公司的鐵基電解質價格比釩基電解質價格便宜一個數量級。“現在，我們電解質的成本是大概是每千瓦時15美元。而據我了解，釩電解質的成本大概是每千瓦時150美元，”他說。“盡管是這樣，你仍然必須利用足夠低成本的材料建立剩余的電池體系，否則你不會扭轉這種局勢。”

該公司的共同創始人和首席技術官Julia Song說，至少有另外一家公司和兩所大學也在研究他們自己的鐵基液流電池的化學特性。毫無疑問，在鐵基電解質方面，所有的競爭者都面臨著一個關鍵性的挑戰：電池的正極和負極的電解液通常在不同pH水平下表現出最佳性能。所以這需要聰明的化學家的努力，使得在操作過程中，兩極電解質的pH值保持獨立和穩定。

Sproull 和Song都認為這是一個棘手的問題，但也不是不可能優化。它最終需要解決的只有一步。這就是他們說ARPA-E的支持對公司對技術都是非常重要的原因。2012年，因為 “轉換儲能項目”，ESS公司獲得ARPA-E 210萬美元資助。

“這真的改變了我們的一切，”Song說。“我們能夠獲得研究人員和研究場所進行研究，并建立早期的原型體系。在兩年半的時間內，我們真的只專注于技術的發展而不必擔心資金的籌集。這真的有巨大的不同。”

從那以后，ESS公司擁有了更成熟的技術，并且已經能夠籌集風險資本，Sproull說。現在，該公司計劃將在一年內批量制造其液流電池系統。

在美國亞利桑納州斯科茨代爾的Fluidic Energy公司在ARPA-E的支持下，生產出一種鋅-空氣電池，它服務的對象與ESS公司鐵離子液流電池的有所不同。公司的CTO Ramkumar Krishnan說道，這種鋅-空氣電池已經可以取代鉛酸電池和柴油發電機——特別是在發展電網（如農村電氣化）或具有長時間支持性的關鍵設備（例如手機信號塔）的地區，當完整的電網供能系統取代零散的電能資源，電力的可靠性才會得以保障。

鋅-空氣電池已經存在了幾十年，之前主要是供助聽器用電。但這次在ARPA-E的支持下，Fluidic公司調整了材料及設計，使得這種鋅-空氣電池具有了可充電性。

ARPA-E的報告提到了Fluidic公司在發展科技的道路上面臨的重重困難。報告中說到：“公司專注于開發一個以離子液體為基體的電解質電池的設計。離子液體是在電池工作溫度時呈液態的鹽類，它提供離子電導，同時保持足量的電絕緣性。該團隊開發出一種不易揮發、在氧環境下可以穩定存在的化學物質，它在電池工作過程中不吸收水分，并且包含有利于鋅和空氣電極相互反應的添加劑。”

ARPA-E告訴它的受資助者，為了在商業市場中具有價格競爭力，他們需要將電池價格定在每千瓦時100美元，并且保證運行至少5000個周期（即10年日常操作）以及在循環充電放電過程中具有80%或更高的效率。

Fluidic公司的Krishnan說，Fluidic在所有三個類別中均具備競爭力。例如，他說，“現在我們電池的壽命是鉛酸電池壽命的四到五倍。我們在電信應用方面提供五年保修承諾，通常他們的“鉛酸”電池每18個月更換一次。”

Krishnan說，與ESS公司一樣，ARPA-E在Fluidic公司技術發展的關鍵時刻提供了重要的支持。“純粹的研發經費由國家基金和國家實驗室提供，而資助那些有快速回報并且低風險進入市場的事物是一次冒險行為，幸運的是，ARPA-E很好的平衡了兩者間的關系。”他說。

“就像在肯尼迪總統時代，去月球是一個夢想。然而我們通過制定大膽設想，提供切實手段，夢想還是變成現實。相似地，ARPA-E開拓創新，通過允許一些大膽的技術推動前沿發展，讓企業將這些技術變為短期內可行，并把它帶到一個吸引投資者和公眾資助其進一步發展的新水平。”

原文鏈接：Arpa-E’s Grid Battery Moonshot.

本文由編輯部丁菲菲提供素材，劉冠旗編譯，朱曉秀審核，點我加入材料人編輯部。

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