斯坦福崔屹團隊發明可充電1萬次錳氫氣電池，或引領儲能革命！
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小烯導讀
4月30日，在《自然》雜誌旗下的《自然-能源》上刊發的一篇學術文章，引起全球能源界巨大關注。來自斯坦福大學的一項最新研究成果為大規模儲能帶來新希望。該校材料系著名華裔教授崔屹實驗組發明的新型水電池——錳氫氣電池(Mn-H)——可循環使用超過1萬次!其低成本、長壽命、高能量密度的潛在性能將有望在大規模儲能領域帶來巨大變革。
崔屹課題組發表在《自然-能源》上的相關文章
4月30日，在《自然》雜誌旗下的《自然-能源》上刊發的一篇學術文章，引起全球能源界巨大關注。來自斯坦福大學的一項最新研究成果為大規模儲能帶來新希望。該校材料系著名華裔教授崔屹實驗組發明的新型水電池——錳氫氣電池(Mn-H)——可循環使用超過1萬次!其低成本、長壽命、高能量密度的潛在性能將有望在大規模儲能領域帶來巨大變革。
崔屹實驗室博士後研究員陳維展示電池原型（圖片來自斯坦福官網）
一直鼓勵新能源發展技術研發的諾貝爾獎得主、前美國能源部部長、現斯坦福大學教授朱棣文(Steven Chu)對上述研究成果的進一步完善充滿期待。他表示，雖然精確的材料和設計仍需進一步研發，但這一原型展示了獲得廉價、耐用的大規模儲能電池的科學和工程新方法。
這個原型約3英寸高的新型錳氫氣電池目前僅可產生大約20毫瓦時(mWh)的電量，這與掛在鑰匙圈上的LED閃燈的能量水平差不多。儘管如此，實驗人員相信，這個原創技術在進一步完善之後將有望在不久的將來實現大規模儲能的產業化應用。
Mn-H電池電化學性能
按照目前美國能源部的建議，可用於大規模儲能的電池需滿足以下幾個條件：在一小時內可充放的能量不低於20千瓦，至少能夠支持5千次充放電，且使用壽命不短於10年。從實用角度來說，滿足上述條件的電池其價格還不應高於2000美元，也就是存儲每千瓦時能量的價格應低於100美元。
在大規模儲能領域，為了達到這一目標，科學家們發展出了不少可稱有效的電池體系，包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、液態金屬電池等等。然而，這些電池不是能量密度偏低，循環壽命短，就是成本太高、工作條件苛刻，在實際應用方面還有很長的路要走。
幾種電池體系的主要受限因素包括，在能量密度上，鉛酸電池只有30-50 Wh/kg，流體電池也450 ℃。
而崔屹教授在三年前提出一個新構想——將錳和氫分別用作正負極，以水做電解質，在理論上應該能夠實現大規模儲能在能量密度、使用壽命和價格等多方面的嚴格要求。在崔屹教授指導下，其在斯坦福大學的中國籍博士後研究員陳維對此進行了長達三年多的探索和實驗測試。陳維表示，對氫氣電池裝置和各項參數進行反覆調試的實驗做了不下1000次後，他們終於得到了一個優化的裝置和測試條件，從而獲得了優異的電池性能。這款新研發的電池可以在反覆充放電10000次後依然沒有明顯衰變，電池壽命在現有主要儲能方式的基礎上實現了一個數量級的提升。
崔屹教授表示，技術還處於試驗階段，其課題組正在對實驗原型進行進一步的優化，這些優化主要集中在兩方面，一是提高電池的能量密度，二是降低電池的成本。比如，在早前實驗中使用鉑作催化劑，現在考慮找到更便宜的替代品。而在獲得優化之後，課題組將繼續進行相關中試和大規模試驗。崔屹教授目前已經取得相關專利，並已經設立公司，籌備產業化。
在崔屹看來，全球大規模儲能市場規模高達萬億美元，一旦Mn-H電池能夠如預期實現產業化應用，那麼將使得清潔能源入網更為穩定，並對社會經濟發展帶來重要促進。大到清潔能源電廠、小到居民小區和家庭用電都可能從中受益。另一方面，Mn-H電池的產業化應用也將可能使得電動汽車普及進一步逼近， Mn-H電池可以穩定電網為實現這一目標提供了可能性。
崔屹教授接受美國中文網採訪（美國中文網官子俊攝）
崔屹（左）與學生在實驗室
研究人員認為，和之前的各種電池體系相比，這種M-H電池至少具有以下7大優勢：
1）這種M-H電池是在放電狀態下組裝，正極材料只有碳帶，不需要MnO2，減少製造工藝和成本。
2）常規水系電池中令人頭疼的Mn2+溶解問題，反而有助於電池穩定性和循環性。
3）雙電子反應賦予Mn-H電池高達616 mAh g-1的理論容量，目前常規的單電子反應Mn基水系電池的理論容量才308 mAh g-1。
4）採用活性Pt/C催化劑修飾的高可逆氫電極作為負極，解決了常規負極循環差的問題。
5）正負極快速的動力學反應確保電池高比率放電能力。
6）Mn2+在水中的高溶解度賦予其高的理論能量密度。
7）低成本原材料，確保電池體系可以規模化生產。
雖然如此，該電池如果想要實現大規模儲能實際應用，至少還需要解決三大問題：
1）採用納米結構的碳材料
2）採用更廉價的HER/HOR催化劑
3）自放電性能優化
資料來源：石墨烯資訊，烯碳資訊編輯整理，轉載請註明出處
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