提前發(fā)明了120年的電池

據(jù)國外媒體報(bào)道，在19-20世紀(jì)之交時(shí)，托馬斯·愛迪生發(fā)明了一款可以產(chǎn)生氫氣的電池。而在120年后的今天，這款電池終于獲得了人們的認(rèn)可。

在美國新澤西州西奧蘭治的一條碎石路上，一輛電動(dòng)汽車從行人身邊飛馳而過。車子寬敞的內(nèi)部空間顯然令一些人驚詫不已。它的速度是當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)車型的兩倍，卷起的塵土高高揚(yáng)起，使街上拉車的馬匹忍不住皺了皺鼻子。

以上場(chǎng)景發(fā)生在20世紀(jì)初，而這輛車的主人便是托馬斯·愛迪生。雖然電動(dòng)汽車在當(dāng)時(shí)已不是什么新鮮事物，但大多數(shù)都依賴沉重、笨拙的鉛酸電池。愛迪生則在自己的車上裝了一款新型電池，并且希望這種電池不久便能為美國各地的車輛供電。這款新電池屬于鎳鐵電池，最早由瑞典發(fā)明家恩內(nèi)斯特·瓦爾德馬爾·揚(yáng)格納于1899年申請(qǐng)專利，后經(jīng)愛迪生改進(jìn)并用在了汽車上。

愛迪生稱，這款鎳鐵電池極其耐用，并且充電速度是鉛酸電池的兩倍。他甚至與福特汽車達(dá)成了協(xié)議，準(zhǔn)備生產(chǎn)這款據(jù)他所稱效率更高的電動(dòng)汽車。

但鎳鐵電池的確存在一些問題。它的體積比當(dāng)時(shí)使用得更廣泛的鉛酸電池要大，價(jià)格也更昂貴。并且它在充電時(shí)會(huì)放出氫氣，這樣既麻煩又危險(xiǎn)。

不幸的是，等到愛迪生改進(jìn)了自己的原型設(shè)計(jì)時(shí)，電動(dòng)汽車已經(jīng)逐漸被續(xù)航更久的化石燃料汽車取代。愛迪生與福特汽車的協(xié)議也就此擱淺。不過他的電池后來在其他方面得到了應(yīng)用，比如鐵路信號(hào)燈。在這些地方，這款電池的龐大體積就不是個(gè)問題了。

但等到一個(gè)多世紀(jì)之后，工程師們便會(huì)發(fā)現(xiàn)，鎳鐵電池身上其實(shí)隱藏著巨大潛力。如今，人們正對(duì)它展開研究，希望它能解決風(fēng)能和太陽能等可再生能源供應(yīng)不穩(wěn)、斷斷續(xù)續(xù)的問題。此外，它的副產(chǎn)物氫氣一度令人頭疼，如今看來卻可能是這款電池最大的用處之一。

大約在2015年前后，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的一支研究團(tuán)隊(duì)基于鎳鐵電池產(chǎn)生的氫氣，偶然為該電池找到了一種用武之地。在電池充電過程中，電流從電池中通過時(shí)會(huì)經(jīng)歷一種化學(xué)反應(yīng)，生成氫氣和氧氣。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，該反應(yīng)與用水生成氫氣的反應(yīng)即電解水反應(yīng)類似。

“在我看來，其中的化學(xué)原理是相同的。”該團(tuán)隊(duì)帶頭人弗科·穆爾德指出。水的分解反應(yīng)是產(chǎn)生氫氣燃料的一種途徑，并且只要驅(qū)動(dòng)該反應(yīng)的能量由可再生能源產(chǎn)生，氫氣就是一種百分之百的清潔能源。

穆爾德和他的團(tuán)隊(duì)還吃驚地發(fā)現(xiàn)，鎳鐵電池的電極開始分解水后，電極儲(chǔ)存的能量竟然變得比開始生成氫氣前還要高。換句話說，當(dāng)鎳鐵電池同時(shí)被用作電解裝置時(shí)，它就變成了一臺(tái)性能更加優(yōu)秀的電池。他們還驚訝地發(fā)現(xiàn)，該電池的電極可以很好地承受電解反應(yīng)，而在傳統(tǒng)電池中，電解反應(yīng)往往會(huì)令電池遭受嚴(yán)重耗損?！傲硗?，我們對(duì)該電池在上述過程中的能量效率也十分滿意，可以達(dá)到80%～90%。”穆爾德指出。

穆爾德將他們的作品稱作“電池電解器”（battolyser），希望此次發(fā)現(xiàn)能有助于解決可再生能源的兩大主要挑戰(zhàn)：儲(chǔ)能能力，以及當(dāng)電池充滿時(shí)制造清潔能源的能力。

“我們經(jīng)常聽到各種各樣關(guān)于電池和氫氣的討論，”穆爾德指出，“這兩個(gè)方向之間一直存在某種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，但我們其實(shí)二者都需要?！?/p>

可再生價(jià)值

風(fēng)能和太陽能等可再生能源最大的挑戰(zhàn)之一，在于它們提供的能量總是難以預(yù)測(cè)、斷斷續(xù)續(xù)。例如，太陽能在白天和夏季提供的能量容易過剩，在夜間和冬季則又常常不足。

鋰電池等傳統(tǒng)電池可以在短期內(nèi)儲(chǔ)存能量，但一旦它們充滿了電，就必須將過剩能量釋放出去，否則便會(huì)過熱、產(chǎn)生耗損。而相比之下，鎳鐵電池電解器即使在充滿電后仍可保持穩(wěn)定，只是繼續(xù)充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生氫氣而已。

“鎳鐵電池持久耐用，承受充電不足和過度充電的能力都比其他電池強(qiáng)?！庇虮ご髮W(xué)機(jī)械、電氣與制造工程學(xué)院助理研究員約翰·巴頓指出，他也在對(duì)電池電解器展開研究，“通過產(chǎn)生氫氣，電池電解器儲(chǔ)存能量的時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)數(shù)天、甚至數(shù)月之久。”

除了產(chǎn)生氫氣外，鎳鐵電池還有其他一些有用的特征。首先，它們無需經(jīng)常維護(hù)。愛迪生在他的早期電動(dòng)汽車上便已證實(shí)，鎳鐵電池極為持久耐用，有些已經(jīng)連續(xù)使用了40年。此外，鎳和鐵這兩種金屬也比傳統(tǒng)電池使用的金屬更加常見。這意味著鎳鐵電池電解器對(duì)于可再生能源還有另一重意義：有助于提高利潤(rùn)率。

和其他所有行業(yè)一樣，可再生能源的價(jià)格也由供求關(guān)系決定。例如在陽光燦爛的日子里，太陽能可以提供充足的能量，造成能源價(jià)格下跌。而鎳鐵電池電解器則有助于“削峰填谷”，使這條價(jià)格曲線變得平滑一些。

“當(dāng)電價(jià)較高時(shí)，可以讓電池放電;而當(dāng)電價(jià)較低時(shí)，則可以給電池充電、并產(chǎn)生氫氣?！蹦聽柕轮赋觥?/p>

能實(shí)現(xiàn)這一功能的不僅僅是鎳鐵電池電解器，較為傳統(tǒng)的堿性電池也可以做到這一點(diǎn)，并且在氫氣制造業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛運(yùn)用。不過穆爾德認(rèn)為，鎳鐵電池電解器的耐久性更強(qiáng)，因此成本更低、使用時(shí)間更長(zhǎng)。電池電解器的支持者們也因此感到信心滿滿。

此外，雖然鎳鐵電池電解器的直接產(chǎn)物是氫氣，但也可以生成其他物質(zhì)，比如氨氣或甲烷，這些比氫氣更易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?！叭绻惭b了一臺(tái)電池電解器，氨氣廠就可以持續(xù)運(yùn)作，所需人工也會(huì)更少，進(jìn)而減少運(yùn)維成本，因此生成氨氣是在可持續(xù)前提下最劃算的一種選擇?！蹦聽柕码姵仉娊馄鞯耐顿Y人、Proton Ventures公司董事長(zhǎng)漢斯·弗里安霍夫指出。

擴(kuò)大規(guī)模

目前最大的鎳鐵電池容量和功率分別為15KW和15kWh，容量和長(zhǎng)期氫氣儲(chǔ)量可以為1.5戶家庭供電。另外，荷蘭埃姆斯哈文發(fā)電廠正在籌建一臺(tái)30kW/30kWh的鎳鐵電池電解器，未來產(chǎn)生的氫氣足以滿足電廠所需。

一旦鎳鐵電池電解器在該發(fā)電廠通過了嚴(yán)格測(cè)驗(yàn)，下一步就是進(jìn)一步提高規(guī)模、分銷給綠色能源提供商，如太陽能和風(fēng)能發(fā)電場(chǎng)等。電池電解器支持者的終極目標(biāo)是希望它們可以達(dá)到吉瓦級(jí)別，相當(dāng)于400臺(tái)公共事業(yè)規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總產(chǎn)能。不過除了增加規(guī)模之外，巴頓認(rèn)為小型電池電解器也能發(fā)揮用武之地，可以為不依賴主供電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)社區(qū)使用的微型電網(wǎng)供能。

電池電解器的電極均由相對(duì)便宜和常見的金屬制成，這也是它的有利之處。并且與鋰不同，鎳和鐵在開采過程中不會(huì)產(chǎn)生大量廢水，也不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境破壞。

不過，穆爾德和巴頓都認(rèn)為，鎳鐵電池在效率和容量方面仍有一些障礙需要克服?！半姵仉娊馄魅绻M(jìn)一步增加電池容量、或者減小內(nèi)部電阻，可以受益良多。”內(nèi)部電阻與電池內(nèi)部電流方向相反，內(nèi)部電阻越大，電池效率就越低。穆爾德和他的團(tuán)隊(duì)如今正在研究如何改進(jìn)這一方面。

自從愛迪生在20世紀(jì)初開始研究鎳鐵電池以來，鎳鐵電池電解器的大部分潛力其實(shí)一直都擺在眼皮子底下，卻始終不曾被人發(fā)現(xiàn)。鎳鐵電池也許不像愛迪生想的那樣，適合為汽車供能，但可以加速向可再生能源的過渡，因此或?qū)⒃趶V泛取代化石能源的過程中發(fā)揮重要作用。