摘要：工程师开发了一种燃料电池，与锂离子电池相比，每磅提供的能量是锂离子电池的三倍多。该设备由钠金属和空气之间的反应提供动力，其重量足够轻，可以实现飞机、卡车或轮船的电气化

工程师开发了一种燃料电池，与锂离子电池相比，每磅提供的能量是锂离子电池的三倍多。该设备由钠金属和空气之间的反应提供动力，其重量足够轻，可以实现飞机、卡车或轮船的电气化

电池在给定重量下可以存储多少电力方面已接近极限。这是能源创新和寻找为飞机、火车和轮船提供动力的新方法的严重障碍。现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员提出了一种解决方案，可以帮助这些交通系统实现电气化。

新概念是一种燃料电池，而不是电池——它类似于电池，但可以快速加油而不是充电。在这种情况下，燃料是液态钠金属，一种廉价且广泛可用的商品。电池的另一侧只是普通空气，它充当氧原子的来源。在两者之间，一层固体陶瓷材料作为电解质，允许钠离子自由通过，多孔面向空气的电极帮助钠与氧气发生化学反应并产生电能。

在对原型设备的一系列实验中，研究人员证明，这种电池每单位重量可以携带的能量是当今几乎所有电动汽车中使用的锂离子电池的三倍多。他们的发现今天发表在《焦耳》杂志上，麻省理工学院博士生 Karen Sugano、Sunil Mair 和 Saahir Ganti-Agrawal 的一篇论文中;材料科学与工程教授 Yet-Ming Chiang;以及其他五人。

“我们希望人们认为这是一个完全疯狂的想法，”京瓷陶瓷教授 Chiang 说。“如果他们不这样做，我会有点失望，因为如果人们一开始不认为某件事完全疯狂，它可能不会那么具有革命性。”

他认为，这项技术似乎确实具有相当革命性的潜力。特别是对于重量尤为重要的航空业来说，能量密度的这种改进可能成为最终使电动飞行在相当大规模上实用的突破。

“真正的电动航空真正需要的阈值是每公斤 1,000 瓦时左右，”Chiang 说。今天的电动汽车锂离子电池的最高容量约为每公斤 300 瓦时，远未达到所需的水平。他说，即使每公斤 1,000 瓦时，这也不足以实现跨大陆或跨大西洋的航班。

对于任何已知的电池化学成分来说，这仍然遥不可及，但 Chiang 表示，达到每公斤 1,000 瓦的功率将是支线电动航空的一项使能技术，该航空约占国内航班的 80% 和航空排放量的 30%。

该技术也可以成为其他行业的推动者，包括海运和铁路运输。“它们都需要非常高的能量密度，而且都需要低成本，”他说。“这就是吸引我们选择钠金属的原因。”

在过去的三十年里，人们为开发锂空气电池或钠空气电池进行了大量研究，但很难使它们完全可充电。Chiang 说：“很长一段时间以来，人们就已经意识到金属空气电池可以获得的能量密度，它非常有吸引力，但从未在实践中实现。

通过使用相同的基本电化学概念，仅将其制成燃料电池而不是电池，研究人员能够以实际形式获得高能量密度的优势。与电池不同，电池的材料只需组装一次并密封在容器中，而燃料电池则不同，燃料电池的能量携带材料进出。

该团队制作了该系统的实验室规模原型的两个不同版本。在一个称为 H 电池的管中，两个垂直玻璃管通过横跨中间的管子连接，其中包含固体陶瓷电解质材料和多孔空气电极。液态钠金属在一侧充满管子，空气流经另一侧，为中心的电化学反应提供氧气，最终逐渐消耗钠燃料。另一个原型采用水平设计，电解质材料的托盘盛放液态钠燃料。促进反应的多孔空气电极固定在托盘底部。

Chiang 说，使用具有严格控制湿度水平的气流进行测试，在单个“堆栈”水平上产生每公斤近 1,700 瓦时的水平，这意味着整个系统水平将超过 1,000 瓦时。

研究人员设想，要在飞机上使用该系统，包含电池组的燃料包（如自助餐厅的食品托盘架）将入燃料电池中;这些电池组内的钠金属在提供动力时会发生化学反应。它的化学副产品流被释放出来，在飞机的情况下，它会从后部排放出来，这与喷气发动机的废气没有什么不同。

但有一个非常大的区别：不会有二氧化碳排放。相反，由氧化钠组成的排放物实际上会吸收大气中的二氧化碳。这种化合物会迅速与空气中的水分结合，产生氢氧化钠——一种通常用作下水道清洁剂的材料——它很容易与二氧化碳结合，形成固体物质碳酸钠，进而形成碳酸氢钠，也称为小苏打。

“当你开始使用钠金属时，会发生这种自然的级联反应，”Chiang 说。“这都是自发的。我们不需要做任何事情来让它发生，我们只需要驾驶飞机。

作为一个额外的好处，如果最终产品碳酸氢钠最终进入海洋，它可能有助于使水脱酸，抵消温室气体的另一种破坏性影响。

使用氢氧化钠捕获二氧化碳已被提议作为减少碳排放的一种方式，但就其本身而言，它并不是一个经济的解决方案，因为这种化合物太昂贵了。“但在这里，它是一种副产品，”Chiang 解释说，所以它基本上是免费的，可以免费产生环境效益。

他说，重要的是，新型燃料电池本质上比许多其他电池更安全。钠金属具有极强的反应性，必须得到很好的保护。与锂电池一样，如果暴露在潮湿环境中，钠会自燃。“每当你有一个能量密度非常高的电池时，安全总是一个问题，因为如果分隔两种反应物的膜破裂，你可能会发生失控的反应，”Chiang 说。但在这个燃料电池中，一侧只是空气，“它是稀释和有限的。所以你不会有两个彼此相邻的浓缩反应物。如果你正在推动真正非常高的能量密度，出于安全原因，你宁愿使用燃料电池而不是电池。

虽然该设备到目前为止仅以小型单单元原型的形式存在，但 Chiang 表示，该系统应该非常简单，可以扩展到实际规模以进行商业化。研究团队成员已经成立了一家名为 Propel Aero 的公司来开发这项技术。该公司目前位于麻省理工学院的创业孵化器 The Engine 中。

生产足够的钠金属以实现这项技术的广泛、全面的全球实施应该是可行的，因为这种材料以前已经大规模生产过。当含铅汽油成为常态时，在逐步淘汰之前，金属钠被用来制造用作添加剂的四乙基铅，它在美国以每年 200,000 吨的产能生产。“它提醒我们，金属钠曾经大规模生产，并在美国各地安全处理和分销，”Chiang 说。

更重要的是，钠主要来源于氯化钠或盐，因此它与当今电动汽车电池中使用的锂和其他材料不同，它丰富，广泛分布在世界各地，并且易于提取。

他们设想的系统将使用可再填充的墨盒，该墨盒将填充液态钠金属并密封。当它耗尽时，它将被返回到再填充站并加载新鲜的钠。钠在 98 摄氏度时熔化，略低于水的沸点，因此很容易加热到熔点来为墨盒加油。

最初，该团队的计划是生产一种砖块大小的燃料电池，该燃料电池可以提供约 1,000 瓦时的能量，足以为一架大型无人机提供动力，以便以可用于农业等的实际形式证明这一概念。该团队希望在明年内准备好这样的演示。

Sugano 在她的博士论文中进行了大部分实验工作，现在将在这家初创公司工作，她说，一个关键的见解是水分在这个过程中的重要性。当她用纯氧和空气测试设备时，她发现空气中的湿度对于使电化学反应有效至关重要。潮湿的空气导致钠以液体而不是固体形式产生放电产物，这使得这些产物更容易被流经系统的气流去除。“关键是我们可以形成这种液体放电产物并轻松去除它，而不是在干燥条件下形成固体放电，”她说。

Ganti-Agrawal 指出，该团队来自各种不同的工程子领域。例如，关于高温钠的研究很多，但没有一个是湿度受控的系统。“在设计电极方面，我们从燃料电池研究中汲取灵感，我们从较旧的高温电池研究以及一些新生的钠空气电池研究中汲取灵感，并将它们混合在一起，”这导致了该团队实现的“性能大幅提升”，他说。

研究小组还包括就读于亚利桑那州斯科茨代尔沙漠山高中的麻省理工学院暑期实习生 Alden Friesen;马萨诸塞州萨默维尔 Form Energy 的 Kailash Raman 和 William Woodford;加利福尼亚州 And Battery Aero 的 Shashank Sripad 和密歇根大学的 Venkatasubramanian Viswanathan。这项工作得到了 ARPA-E、Breakthrough Energy Ventures 和美国国家科学基金会的支持，并使用了 MIT.nano 的设施。

期刊参考：

来源：人工智能学家