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MIT電化學(xué)專家Donald Sadoway談電池儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新議題

   2018-01-31 第一電動(dòng)網(wǎng)14560
核心提示:1月28日,麻省理工學(xué)院(MIT)材料科學(xué)與工程系教授Donald Sadoway在某行業(yè)峰會(huì)上談了關(guān)于電池儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新議題,他認(rèn)為要變革現(xiàn)
1月28日,麻省理工學(xué)院(MIT)材料科學(xué)與工程系教授Donald Sadoway在某行業(yè)峰會(huì)上談了關(guān)于電池儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新議題,他認(rèn)為要變革現(xiàn)有的行業(yè),實(shí)現(xiàn)技術(shù)的突破,必然會(huì)耗費(fèi)巨大的成本,所以需要在研究階段就開(kāi)始考慮控制成本的問(wèn)題。


麻省理工學(xué)院(MIT)材料科學(xué)與工程系教授Donald Sadoway

儲(chǔ)能技術(shù)該如何創(chuàng)新

Donald Sadoway是世界著名的材料化學(xué)、熔鹽物理化學(xué)、電化學(xué)專家,在貴重金屬提煉、液態(tài)金屬電池等方面有很深造詣。他認(rèn)為,對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)來(lái)講,電力往往和現(xiàn)代化緊密掛鉤,所以電力網(wǎng)絡(luò)就顯得格外重要,電力網(wǎng)絡(luò)就是世界上最大的供應(yīng)鏈。


如圖所示,地球上還有大部分地區(qū)都被黑夜籠罩,顯然那里急需電力供應(yīng)。要解決這個(gè)問(wèn)題,就勢(shì)必涉及到儲(chǔ)能的廣泛應(yīng)用。對(duì)于太陽(yáng)能、風(fēng)能這些可再生能源來(lái)說(shuō),都會(huì)出現(xiàn)間歇性供應(yīng)的問(wèn)題,所以如果要更好地發(fā)揮它們的效能,就必須要有一整套儲(chǔ)能解決方案。

那么現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r如何呢?Donald Sadoway教授認(rèn)為現(xiàn)狀并不樂(lè)觀。首先是大規(guī)模的儲(chǔ)能設(shè)施并不像手機(jī)或電腦里的電池一樣簡(jiǎn)單,它必須能滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行二、三十年,否則就是一場(chǎng)災(zāi)難。另外,還必須保證其能夠在運(yùn)行上做到操作足夠靈活,這也是其穩(wěn)定運(yùn)行的前提,還有很重要的一點(diǎn)就是要嚴(yán)格控制生產(chǎn)成本。從實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng),仍然有很長(zhǎng)的路要走。


Donald Sadoway插播了一段科普小故事,最早,電池是由一位名叫Alessandro Volta的意大利教授發(fā)明的,在意大利10000里拉的紙幣上印有他的頭像。


Alessandro Volta特別值得提的一點(diǎn)就是,他證明了一位教授可以將自己的研究轉(zhuǎn)化為有益的社會(huì)實(shí)踐。這也極大地啟發(fā)了Donald Sadoway所從事的電池研究,“首先,我意識(shí)到,我需要我的團(tuán)隊(duì)一起齊心協(xié)力,還有一點(diǎn)是要從設(shè)計(jì)伊始就必須綜合考慮到給制造商提供一定的生產(chǎn)便捷性。”

但Donald Sadoway和他的團(tuán)隊(duì)在研發(fā)過(guò)程中也受到了質(zhì)疑,因?yàn)閷?duì)于兆瓦級(jí)別的大型發(fā)電廠來(lái)講,小小的一枚電池似乎怎么看都不太能滿足他們的儲(chǔ)能需求,就更不要提改變世界了。“也的確有電池行業(yè)內(nèi)的人說(shuō)我們是瘋了,但我想說(shuō)的是,不要只著眼于固有的行業(yè)和已有的發(fā)明,一定要有創(chuàng)新。所以我就把目光投向了電解鋁行業(yè),他們通常都配有很大的設(shè)備,一天24小時(shí)不間斷工作,而規(guī)模效應(yīng)會(huì)帶來(lái)成本的降低,他們獲取1千克鋁的成本不足一美元。”


液態(tài)金屬電池的發(fā)明

受此啟發(fā),Donald Sadoway研究團(tuán)隊(duì)將電解鋁的步驟逆向操作,發(fā)明了液態(tài)金屬電池,能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模且廉價(jià)的電力存儲(chǔ),這就是以不同的視角去看待問(wèn)題所帶來(lái)的好處。他的團(tuán)隊(duì)成員,沒(méi)有任何一個(gè)人是電池方面的專家,之前甚至都沒(méi)有接觸過(guò)電化學(xué)相關(guān)的研究,但他們都是聰明、沒(méi)有偏見(jiàn)且無(wú)所畏懼的青年才俊,照樣可以做出杰出的成果。“當(dāng)然,進(jìn)展也并不是一帆風(fēng)順,開(kāi)始時(shí)實(shí)驗(yàn)總是失敗,但經(jīng)過(guò)幾年的研究之后,我們創(chuàng)造了奇跡,我相信二三十年之后,我們一定能夠做出更多的成績(jī)。”

 


 

液態(tài)金屬電池結(jié)構(gòu),最底層是液態(tài)銻,中層是熔鹽電解質(zhì),上層是液態(tài)鎂,熔鹽處在兩層液態(tài)金屬的中間。

液態(tài)金屬電池的效能如何?Donald Sadoway教授說(shuō),這種電池非常特別,有很長(zhǎng)的循環(huán)壽命,而且容量十分穩(wěn)定,從下面這張圖表可以看出,隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng),整個(gè)電池的損耗率也是非常低,即便每一天都進(jìn)行充放電操作,持續(xù)使用10年之后依然能夠保持初始容量的99%。

 


在取得了技術(shù)上的突破之后,Donald Sadoway和他的學(xué)生們一起成立了一家名為AMBRI的公司專門(mén)生產(chǎn)液態(tài)金屬電池。并且獲得了來(lái)自比爾˙蓋茨的A輪投資,預(yù)計(jì)產(chǎn)品將會(huì)在兩年后面世。

透露一下產(chǎn)品的具體信息:體積為18立方米; 儲(chǔ)電量1000 kWh,功率為350kW;支持1000伏直流電; 總重15噸,合計(jì)每千克儲(chǔ)能67Wh,要比鋰電池便宜。


在室溫之下,液態(tài)金屬電池產(chǎn)品的壽命為4年,但它卻可以做到超過(guò)4000次的充放電——相當(dāng)于每天充放電一次可以使用10年,而且正如前面所提的,它可以在經(jīng)過(guò)4000余次的充放電后依然保有原有容量的99%。

對(duì)于技術(shù)的創(chuàng)新,Donald Sadoway教授提出了他的總結(jié)思考:1、要有勇氣走出鋰電池的框架,從中有所借鑒來(lái)發(fā)明自己的儲(chǔ)能系統(tǒng)。2、杰出的年輕人能夠給我們很多靈感,激發(fā)我們?nèi)グl(fā)明創(chuàng)造新的東西。只要有理性、毅力和堅(jiān)持,就可以將微弱的可能變?yōu)椴豢勺钃醯耐黄啤?br />
基礎(chǔ)研究需要政府支持

Donald Sadoway認(rèn)為,對(duì)于基礎(chǔ)研究,需要一定的創(chuàng)新資金,現(xiàn)實(shí)和需求還是有差距的,尤其是在美國(guó)。在某種程度上,很多的投資花費(fèi)方式是錯(cuò)誤的,例如有的是花到鋰電池的研究上,“我們?cè)缇涂梢栽谏痰昀镔I到鋰電池了,為什么還要投資這么多在這個(gè)領(lǐng)域?”

他表示,私營(yíng)企業(yè)對(duì)于可再生能源是比較有興趣的,所以對(duì)于可再生能源的商業(yè)化,還是有很好的發(fā)展趨勢(shì)的。“關(guān)于液態(tài)金屬電池的研究最初起源于2009年,當(dāng)時(shí)油價(jià)是每桶90-100美元,有大企業(yè)的CEO意識(shí)到可能過(guò)一些年,石油和天然氣儲(chǔ)量會(huì)越來(lái)越少,會(huì)更多地傾向于可再生能源,比如說(shuō)太陽(yáng)能,但他們突然意識(shí)到,如果太陽(yáng)能不能儲(chǔ)存那就毫無(wú)用處。所以他們找到了我,說(shuō)是否可以投一點(diǎn)錢(qián),請(qǐng)我做這種研究。因此,要確保新技術(shù)可以使用是很重要的。而想要有新的技術(shù),就需要有基礎(chǔ)性研究,這時(shí)候政府也需要做出努力。我有很多的學(xué)生,其中有一大部分來(lái)了中國(guó),在這里有學(xué)術(shù)機(jī)會(huì)做一些研究或者是去一些企業(yè),機(jī)會(huì)多樣化。“

電池技術(shù)突破還有多遠(yuǎn)?

現(xiàn)有鋰離子電池的核心技術(shù)突破是在上世紀(jì)80年代完成的,并逐步發(fā)展成為目前最穩(wěn)定、可靠的移動(dòng)端和汽車端能量?jī)?chǔ)存技術(shù),然而到目前為止,尚沒(méi)有任何一種先進(jìn)鋰離子電池可以同時(shí)滿足高能量密度、高循環(huán)壽命、高安全性和較低成本等一系列指標(biāo)。

Donald Sadoway教授告訴第一電動(dòng)網(wǎng),電池技術(shù)的突破需要資金,特別是研發(fā)方面,但目前很多的整車廠商,好像并沒(méi)有在這方面投入了很大的研發(fā)成本。包括即使像蘋(píng)果這樣偉大的公司也是想從現(xiàn)有的市場(chǎng)中找到綜合性價(jià)比更好的電池。

主流的鋰電池技術(shù)顯然是有這樣、那樣的問(wèn)題,目前Donald Sadoway的研究團(tuán)隊(duì)也在研究。但是,他認(rèn)為這樣的一個(gè)技術(shù)在短期內(nèi)不會(huì)看到突破性的進(jìn)展,還需要一定的時(shí)間去做研發(fā)的突破。此外,就是誰(shuí)來(lái)出錢(qián)做研發(fā)的問(wèn)題,這需要有一些沒(méi)有偏見(jiàn)的,能夠?qū)Ω锩缘募夹g(shù)有熱忱的資金投入進(jìn)來(lái),要想取得突破,也意味著伴隨風(fēng)險(xiǎn),所以需要有遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)的資本加入,和技術(shù)探究結(jié)合來(lái)進(jìn)行突破。

誰(shuí)能接替鋰電池?

固態(tài)鋰電池、鋰空氣電池、鈉離子電池……,未來(lái)誰(shuí)能成為接班人?Donald Sadoway教授認(rèn)為,這里面的關(guān)鍵詞是“性價(jià)比”。

“我也是材料科學(xué)家,這么多年來(lái),也看到有新材料不斷地涌現(xiàn)。目前我們用的鋰電池在性價(jià)比上的表現(xiàn)是最好的,所以它還是主流。但是,很多媒體提到的那些新的材料讓大家歡欣鼓舞,有我們聽(tīng)過(guò)的,可能還有我們沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)的,實(shí)際上很多是在實(shí)驗(yàn)室做出來(lái)的,最后都有開(kāi)頭,沒(méi)有結(jié)尾,或者銷聲匿跡。”Donald Sadoway教授告訴第一電動(dòng)網(wǎng),主要的原因就是成本,因?yàn)閮r(jià)格太高而無(wú)法廣泛的使用,有些目前只能小批量生產(chǎn),無(wú)法做到很大規(guī)模應(yīng)用。

每一度電都要真金白銀,要有更好的性價(jià)比,要有更長(zhǎng)的循環(huán)壽命,最主要的是成本較低。只有在綜合能力上達(dá)到了這樣的指標(biāo),才有可能替代目前主流——鋰電池。

電池循環(huán)使用要綜合考量!

Donald Sadoway教授個(gè)人認(rèn)為,動(dòng)力電池回收沒(méi)有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。他舉例說(shuō),“平時(shí)的食品飲料罐很多都用鋁包裝,鋁的回收是很容易的。但是,造一架飛機(jī)寧肯用新的鋁,也會(huì)不用回收的鋁。因?yàn)榛厥盏匿X里面會(huì)有很多雜質(zhì),把雜質(zhì)去除所花的成本要比用新的鋁還貴,所以從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)說(shuō)直接就用新的材料。目前主流的鋰電池里面的分子、層次、結(jié)構(gòu)太復(fù)雜,回收可能是可以回收,但是要把這么復(fù)雜的結(jié)構(gòu),把里面有用的成分提取出來(lái),循環(huán)使用,本身這個(gè)成本就很高。

大家都在提資源循環(huán)利用也許是因?yàn)榛趲讉€(gè)假設(shè):第一,地球上的資源有限,第二,廢料可能不加以循環(huán)利用,就會(huì)成為垃圾,而垃圾的填埋跟著就成為一個(gè)大問(wèn)題。但是,很多時(shí)候也需要綜合地去考慮問(wèn)題,有些可能還不如不循環(huán)利用來(lái)得好。

人們有這樣的環(huán)保意識(shí),有綠色的節(jié)能意識(shí),本身是一件好事,但是我們也要去反思,是不是有的時(shí)候我們過(guò)渡的熱情了,或者是過(guò)渡的把循環(huán)利用的概念過(guò)渡的夸大了,而沒(méi)有去綜合考量。

目前電動(dòng)汽車使用的鋰電池結(jié)構(gòu),可能就需要在最初設(shè)計(jì)的時(shí)候進(jìn)行創(chuàng)新,把它的循環(huán)利用考慮進(jìn)去,結(jié)構(gòu)不要這么復(fù)雜,能用更方便、更低的成本去回收循環(huán)利用,這樣問(wèn)題才能得到解決。
 
標(biāo)簽: 電池儲(chǔ)能
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