[技术前沿]纳米电燃料电池

在莫妮卡驾驶电动汽车前往母亲家的路上，电池电量显示该充电了。她在一个充电站停下来，在泵上刷了一下信用卡，然后将管口插入汽车，用了5分钟的时间，将400升已耗尽电量的纳米流体换成新的液体。在她等待的时候，一辆罐车停了下来给充电站补充燃料，用数万升已充电燃料替换电量已耗尽的燃料。莫妮卡关闭电动汽车燃料补给口，开车上了高速公路，现在，她的电动汽车储存的能量足以行驶640公里。

她的电动汽车使用的是一种液流电池，这种设计可以快速更换电量耗尽的电解质或者直接给电池充电，不过后者需要较长的时间。液流电池具有安全、稳定、耐用且易于再加注的特性，非常适合用于平衡电网、提供不间断电源和备用电源。

不过，这种电池使用的是一种被称为“纳米电燃料”的全新液体。与同等大小的传统液流电池相比，它可以存储的能量要高15至25倍，电池系统可以小到用于电动汽车，同时能量密度足以提供汽油动力车的续航里程，实现快速燃料再加注。这是美国国防部高级研究计划局（DARPA）战略技术办公室正在进行的一个项目，旨在努力推动军方在2030年前装备全电动补给车和在2050年前装备电动战术车，并预期衍生为民用项目。

在军事行动中使用锂电池会产生一系列问题：需要充电基础设施，这对于美国军方来说意味着要在通常不适宜居住的地方部署充电基础设施；充电时间长；存在热失控的危险，可能引发火灾；锂电池的工作寿命相对较短；获取电池材料较为困难；当旧电池不再好用时，不易回收。能缓解这些问题的电池是DARPA的目标。新的液流电池似乎符合每一项要求。如果可行，对交通电气化的好处将是巨大的。

纳米电燃料电池是一种新形式的氧化还原液流电池。这种设计于近一个半世纪前首次提出，在20世纪中期恢复了活力，被用于建造月球基地，然后又进一步改进用于电网储能。

液流电池的电芯使用了两种含离子化学溶液，一种用作阳极液（靠近阳极），另一种用作阴极液（靠近阴极）。两种溶液之间的电化学反应推动电子流过电路。一般的氧化还原液流电池使用基于铁铬或钒离子的化学物质，其中基于钒离子的化学物质利用了4种不同的钒离子状态。

橙色容器是一个用于合成纳米电燃料液流电池阳极的反应容器。

从反应的化学方面来说，两种溶液被连续泵入电池电芯分隔的两边。隔膜将两种溶液隔开，离子透过隔膜从一种溶液进入另一种溶液。从电流角度来说，电流从一个电极进入外部电路，转一圈，然后返回到相反的电极。电池可以通过两种方式充电：一种是像传统电池那样，通过反向电流给两种溶液充电，另一种是用充满电的溶液替换耗尽电的溶液。

除了在性能和安全性上优于锂电池外，液流电池也更容易扩展：如果想储存更多能量，只需增加溶液储存罐的大小或提高溶液的浓度；如果想提供更多电力，只需堆叠更多的电池芯或增添新的电池堆。

伊利诺伊州内珀维尔Volta能源技术公司的技术负责人、液流电池专家卡拉•罗德比（Kara Rodby）表示，这种可扩展性使液流电池适用于高达100兆瓦的应用，例如平衡电网中的能量流动。

这台小型演示系统中的玩具吉普车有一块纳米电燃料电池，Influit Energy公司的一名技术人员正在远程控制它。电池芯(右上)展示了燃料的两个容器。正在测试的单电芯(左下)除了前面板外，没有任何封装。电池芯排列组装成大功率的电池(右下)。

然而，在给定的体积和质量下，传统液流电池只能储存很少的能量，其能量密度只有锂离子电池的10%。罗德比解释道，这与水溶液能容纳的物质数量有关。一杯水只能溶解一定量的盐。

因此，到目前为止，液流电池对大多数应用来说都过于庞大。为了将它们缩小到足以安装在电动汽车上，需要将它们的能量密度提高到锂离子电池的水平。

增加液流电池容量的一个好方法是用纳米流体，它可以将纳米粒子保持在悬浮状态。这些粒子与传统液流电池中溶解的离子一样，在电极表面进行氧化还原反应，但纳米流体的能量密度更高。重要的是，与其他悬浮体（例如水中的沙子）不同，纳米流体被设计成可无限期保持悬浮状态。这种无限期悬浮有助于粒子在系统中移动并与电极接触。这些粒子可以占到液体重量的80%，却不会像机油那么粘稠。

针对这一应用，阿贡国家实验室和伊利诺伊理工学院的研究人员于2009年首次研究了在水基电解质中悬浮的纳米流体。科学家们发现，这种纳米流体电池系统的储能潜力接近锂离子电池，并且液流电池还可以用泵充电。此外，可以用易于获得的廉价矿物制造纳米颗粒，例如可分别用氧化铁和γ晶型二氧化锰制作阳极和阴极。

此外，由于纳米电燃料（NEF）是一种水悬浮液，所以它不会着火或爆炸，如果电池泄漏，这种材料也没有危害性。这种电池具有-40℃至80℃的超宽工作范围。

2013年，该团队获得了美国能源部高级研究计划局（ARPA-E）为期3年、共计344万美元的资助，用于制造1千瓦时的纳米电燃料电池原型。原型研发的成功促使几名主要研究人员从团队中剥离出来，成立了Influit Energy公司，将该技术商业化。通过额外的政府合同，这家初创公司继续改进各个组件，包括纳米电燃料本身、电池架构以及充电和运送系统。

Influit Energy公司的创始人兼首席执行官约翰•卡苏达斯（John Katsoudas）强调了其公司设计的电池与传统液流电池的区别。“我们的新颖之处在于，虽然做的是别人已经（对液流电池）做过的事情，但我们用的是纳米流体。”他说。

卡苏达斯补充说，随着基础科学问题的解决，Influit Energy公司正在开发一种额定能量密度为550至850瓦时/公斤或更高的电池，而标准电动汽车锂离子电池的能量密度为200至350瓦时/公斤。该公司预计，更大型号的电池在支持电网方面也将超越老式液流电池，因为纳米电燃料可以重复使用的次数不低于与液流电池（循环1万次及以上），而且可能更便宜。

他说，这种燃料将根据需要生产，最终达到取代化石燃料的规模。这种燃料可以像今天的汽油一样通过油罐车或升级现有的管道运输到补给站。补给站中已用完的燃料可以用任何来源的电力进行再充电，包括太阳能、风能、水电、核能，以及化石燃料。充电也可以在服务站或电动汽车上进行。在后一种情况下，充电方式与今天的电池电动汽车一样。

纳米粒子大大增加了液流电池燃料的能量密度，可适用于电动汽车。

如果发生油罐车事故或管道破裂怎么办？

“纳米电燃料会变成一种浆糊状物质，把它扫起来即可。”卡苏达斯解释道。他又补充说，如果不想等它变干，可以加入更多的水来降低酸性，“然后打扫一下就可以了”。

你不会想把那些东西扔掉。“收集起来的东西是电池中最有价值的部分。”他说，“很容易将活性材料加工成可以重复使用的新纳米流体。”

这种带电的液体混合物有哪些风险呢？卡苏达斯表示，Influit Energy公司已经证明，将阳极液和阴极液直接混合造成的安全隐患非常小。下一代纳米电燃料材料将使用相同的液体，可以将风险降到最低。

从各方面来看，纳米电燃料液流电池似乎比锂离子电池更适合电动汽车和更大的系统。Influit Energy公司预计，目前这一代纳米电燃料，加上围绕它打造的整个燃料生产、分销和回收生态系统，在电动汽车上应用的成本约为130美元/千瓦时；相比之下，锂离子电池的成本约为138美元/千瓦时。诚然，锂离子电池的成本将在几年内降至100美元/千瓦时以下，但Influit Energy公司预计其下一代纳米电燃料液流电池也将进一步下降至50至80美元/千瓦时左右。下一代系统的能量密度应该是目前锂离子系统的5倍。

下面，我们将介绍一下这对电动汽车来说意味着什么。

目前，普通的电动汽车电池的体积与400升纳米电燃料液流电池差不多。如果纳米粒子占燃料重量的30%，电动汽车的续航里程将只有105公里；将这一比例提高到40%，续航里程将攀升至274公里；达到50%时，它可以行驶362公里；达到80%时，为724公里。这些结论都是在液流电池储存罐的大小保持不变的假设下得出的。

DARPA战略技术办公室的项目经理亚伦•科福德（Aaron Kofford）说，Influit Energy公司已经实现了50%的目标，并演示了纳米电燃料达到80%的情况。

科福德表示，对于军方来说，纳米电燃料电池比锂离子电池和内燃机具有更明显的优势。在军用作战车辆中，保护车辆的化石燃料箱至关重要，但这种额外的保护会增加很多重量，要求车辆具有更重的悬架；而增加的重量又会减少续航里程和有效载荷。锂离子电池本身很重，容易起火，为了防止被炮弹击中，需要更重的外壳防护。

相比之下，纳米电燃料电池具有耐火性，因此重量和安全问题大大减少。科福德说：“在系统层面，如果我们能够采用一种安全的化学物质，就不需要在电池中使用太多的内部封装。”他补充道，它们不会散发出太多热量，因此很难从远处观测到。

与此同时，民用纳米电燃料液流电池也很诱人，尤其是在航空领域。美国国家航空航天局高级空中机动首席战略家斯塔尔•吉恩（Starr Ginn）表示，降低电动飞机防火安全系统的要求也是一个亮点。

吉恩说，有了纳米电燃料，“就不再需要高功率电缆，也没有电磁干扰问题。”纳米电燃料“在不断地减少对制造电动飞机带来困难的因素”。

同样，美国空军研究实验室转型能力办公室正在评估纳米电燃料在战斗行动中的作用。Influit Energy还与一家商业伙伴合作，在其系列供电车中试点纳米电燃料电池。如果纳米电燃料真的被证明那么好，那它对国家安全的影响可能是巨大的，可以减少对进口电动汽车用稀有金属和化石燃料的依赖。

要发挥纳米电燃料液流电池的潜力，还需要做大量工作。Influit Energy公司及其负责与政府对接的部门预计，还需要两年时间才能将闭环系统的所有部分整合在一起，证明该技术在各种应用中的价值和可扩展性。卡苏达斯说，到2025年或2026年，全世界都将准备好认真研究纳米电燃料液流电池，用于零排放汽车、备用电网、供电车等。

这项技术的发展可能会面临两个障碍：市场力量和竞争技术。

锂离子电池是一项成熟的技术，拥有成熟的市场。人们在各种锂电池的开发和改进过程中投入了数千亿美元，政府承担了其中大部分投资。例如，美国DARPA、能源部和国家科学基金会正在与多家公司合作克服锂电池的局限性。欧盟、韩国和其他地方的政府研究机构也在资助类似的研究。要超越锂电技术，Influit Energy公司需要说服财力极其雄厚的人（可能是自己的后勤供应链或电动汽车制造商）帮助其扩大规模。

然后是技术竞争。几乎每天都有关于锂离子电池新进展的消息。中国科学院的研究人员在一份报告中提出了一种711瓦时/公斤的锂离子电池。一家中国制造商声称，新型磷酸锰铁锂电池可使电动汽车单次充电行驶1000公里，且使用寿命达130年。还有一些成果涉及锂电池快速充电和在军用车辆使用安全性方面的重大改进与提高。

此外，还有非锂基的新型电池化学物质，例如钠离子和石墨烯电池。同时，使用液态金属技术的电网级电池，以及使用锂硫改进传统液流电池的技术也取得了进展。

Influit Energy公司的其他直接竞争对手还包括液态有机氢和电燃料（使用可再生电力资源捕获二氧化碳和水生产的碳基和碳中性合成燃料）。这两种燃料都旨在直接取代化石燃料。

Volta的罗德比说，Influit Energy公司为了争取市场的认可，需要阐明纳米电燃料的“市场优势”。目前看来这项技术非常适合美国国防部，而且后者可能愿意为此支付高额费用。作为美国政府部门中最大的化石燃料用户，仅国防部就可能使Influit Energy达到一定规模。

当然，纳米电燃料在船舶、火车或飞机等其他应用场景也可找到用武之地。例如，大的集装箱货船运载着约1500万升燃料。如果其中一部分是可以持续充电的纳米电燃料，就可能减少货船的碳足迹。

历史上有很多非常卓越的技术，只因出现得太晚或太早而无法取代在位技术。纳米电燃料液流电池似乎正在超越我们今天现有的技术，或许它会很幸运。

作者：Robert N. Charette