斯坦福大學的研究人員日前用銅化合物組成的納米材料研發(fā)出了一種新的電池陰極，可反復充電4萬次。斯坦福大學材料科學與工程學院副教授崔毅稱：“由于該技術(shù)造價不高且耐用，它可以滿足電網(wǎng)大規(guī)模的儲能需求。”

崔毅表示：“這一研究為風能、太陽能因天氣原因而導致發(fā)電量驟降提供了解決方案。因為不能保證每天都是晴天，同時也無法保證每天都刮風，因此如果想要大規(guī)模發(fā)展風光電，間歇性是其主要障礙。如果我們能有一個高效、持久且可以反復使用的電池，那么我們就可以將風能、太陽能產(chǎn)生的多余電力儲存起來。同時，電池的造價不能太過昂貴，否則，無法實現(xiàn)商業(yè)化拓展。”

實現(xiàn)4萬次充放電

目前，斯坦福大學的研究人員已經(jīng)部分實現(xiàn)了這一想法，那就是采用銅化合物納米材料的新電極，在反復充電4萬次后，其電池容量依然可以保持83%。而傳統(tǒng)鋰離子電池的充放電次數(shù)為400次，隨后電容量就迅速下降。斯坦福大學材料科學與工程學院研究生克林·威爾斯表示：“通過每天進行數(shù)次充放電實驗，我們預計這個電極的使用壽命能達到30年。”目前有關(guān)研究已經(jīng)發(fā)表在《自然·通訊》雜志上，克林·威爾斯是主要作者。

該研究的合著者、克林·威爾斯的導師崔毅表示：“電池能反復充電這么多次，性能絲毫沒有減弱，這真是一次突破。”

研究人員首先要采用普魯士藍(即亞鐵氰化鐵)，隨后，他們用銅代替一半的鐵，用所產(chǎn)生的化合物制成結(jié)晶納米粒子，再把這些粒子涂到布狀碳基質(zhì)上。然后，他們把這種電極沉浸在硝酸鉀電解質(zhì)溶液中。克林·威爾斯表示：“由于鉀離子可以自由移動，因此電極的充放電周期非常快，這是非常重要的。”

據(jù)介紹，新電池的化學反應采用廉價材料。其原理與鋰離子相同，鈉或鉀離子在電極之間移動，進行充放電。崔毅稱：“要并網(wǎng)儲電，電池體積會很大，鈉和鉀很具吸引力，因為它們產(chǎn)量多且廉價。”

性能強于鋰離子電池

崔毅帶頭的研究小組還有不少研究是基于鋰離子，鋰離子電池能量密度很高，這就是說他們體積相對較小，更適合運用于便攜的電子產(chǎn)品，如筆記本電腦等。但是，如果談到電網(wǎng)的儲能問題，能量密度并不是那么重要。你可以有一個像房子那么大的電池， 它不需要便攜。另外，成本也是一大考慮。

鋰離子電池的一些組件造價昂貴，而且建造一個很大規(guī)模的鋰離子電池用于電網(wǎng)儲能，成本到底多大，目前并不清楚。威爾斯表示：“當時我們認為，如果想開發(fā)用于電網(wǎng)儲能的電池，我們就應該考慮鋰離子以外的原料。我們選用的材料，如鐵、銅以及氮都是非常便宜的。另外，我們使用水性電解液，而不是有機電解液，其成本又降低了一些。”

新電極主要是限制就是其化學性質(zhì)導致它僅適合作為高壓電極。但是，每一個電池需要兩個電極—— 高電壓的陰極和低電壓陽極，以通過電壓差來產(chǎn)生電力。研究人員需要找到另一種物質(zhì)制成陽極，才可以制成電池。崔毅表示：“目前他們正在試驗各種不同物質(zhì)來制成陽極，已經(jīng)有一些潛在合適材料。”

斯坦福大學材料科學與工程學院名譽教授羅伯特·哈金斯表示，雖然目前沒有形成完整電池，但是新電極的表現(xiàn)已經(jīng)超過現(xiàn)有任何電池的電極。這一發(fā)現(xiàn)為風電系統(tǒng)提供了很好的儲能解決途徑。崔毅表示：“現(xiàn)在已開發(fā)的電極材料在實驗室階段前景巨大，但是商業(yè)化推廣存在困難。對于這種新電極，不存在這種問題。新電極商業(yè)化推廣并不困難。我們將化學物質(zhì)放到燒瓶中，從而得到電極材料，你可以獲得更多原料。要生產(chǎn)這種電池，我們沒有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。”

新電極充電容量較低

此外，也有業(yè)內(nèi)人士對這一技術(shù)提出了不足。卡內(nèi)基·梅隆大學材料科學與工程教授杰伊·惠特克表示：“相比其他電極，這種電極擁有良好的循環(huán)周期，但是其也有自身不足，它的充電容量較低，每克材料電容量只有60毫安時，相比之下，錳氧化物的陰極達100毫安時。雖然說造價低廉，但是以銅代替鐵，其成本有所上升。”

麻省理工學院材料科學與工程教授唐納德·沙得維表示：“大規(guī)模并網(wǎng)儲電最重要的指標是每次充電周期所產(chǎn)生能量的價格。這一新材料擁有明顯優(yōu)勢，因為它可以實現(xiàn)數(shù)萬個周期的充放電，成本也將因此降低。其整體性能將優(yōu)于鈉硫電池。”

阿貢國家實驗室電池研究員克里斯托副·約翰遜表示：“除了成本和循環(huán)周期之外，往返能源效率對于電網(wǎng)儲能也非常重要，這樣，充電過程中就不會浪費能量。雖然不知道新電極的成本，但是，它的效率和循環(huán)壽命表現(xiàn)卓越。”研究人員還需要研發(fā)陽極，以形成完整的電池單元。”