斯坦福大学研发出一种新电池阴极 可用于电网大规模储能

    日前，斯坦福大学用铜化合物组成的纳米材料研发出了一种新的电池阴极，可反复充电4万次。斯坦福大学材料科学与工程学院副教授崔毅称：“由于该技术造价不高且耐用，它可以满足电网大规模的储能需求。”

    崔毅表示：“这一研究为风能、太阳能因天气原因而导致发电量骤降提供了解决方案。因为不能保证每天都是晴天，同时也无法保证每天都刮风，因此如果想要大规模发展风光电，间歇性是其主要障碍。如果我们能有一个高效、持久且可以反复使用的电池，那么我们就可以将风能、太阳能产生的多余电力储存起来。同时，电池的造价不能太过昂贵，否则，无法实现商业化拓展。”

    实现4万次充放电

    目前，斯坦福大学的研究人员已经部分实现了这一想法，那就是采用铜化合物纳米材料的新电极，在反复充电4万次后，其电池容量依然可以保持83%。而传统锂离子电池的充放电次数为400次，随后电容量就迅速下降。斯坦福大学材料科学与工程学院研究生克林·威尔斯表示：“通过每天进行数次充放电实验，我们预计这个电极的使用寿命能达到30年。”。

    该研究的合著者、克林·威尔斯的导师崔毅表示：“电池能反复充电这么多次，性能丝毫没有减弱，这真是一次突破。”

    研究人员首先要采用普鲁士蓝(即亚铁氰化铁)，随后，他们用铜代替一半的铁，用所产生的化合物制成结晶纳米粒子，再把这些粒子涂到布状碳基质上。然后，他们把这种电极沉浸在硝酸钾电解质溶液中。克林·威尔斯表示：“由于钾离子可以自由移动，因此电极的充放电周期非常快，这是非常重要的。”

    据介绍，新电池的化学反应采用廉价材料。其原理与锂离子相同，钠或钾离子在电极之间移动，进行充放电。崔毅称：“要并网储电，电池体积会很大，钠和钾很具吸引力，因为它们产量多且廉价。”

    性能强于锂离子电池

    崔毅带头的研究小组还有不少研究是基于锂离子，锂离子电池能量密度很高，这就是说他们体积相对较小，更适合运用于便携的电子产品，如笔记本电脑等。但是，如果谈到电网的储能问题，能量密度并不是那么重要。你可以有一个像房子那么大的电池， 它不需要便携。另外，成本也是一大考虑。

    锂离子电池的一些组件造价昂贵，而且建造一个很大规模的锂离子电池用于电网储能，成本到底多大，目前并不清楚。威尔斯表示：“当时我们认为，如果想开发用于电网储能的电池，我们就应该考虑锂离子以外的原料。我们选用的材料，如铁、铜以及氮都是非常便宜的。另外，我们使用水性电解液，而不是有机电解液，其成本又降低了一些。”

    新电极主要是限制就是其化学性质导致它仅适合作为高压电极。但是，每一个电池需要两个电极—— 高电压的阴极和低电压阳极，以通过电压差来产生电力。研究人员需要找到另一种物质制成阳极，才可以制成电池。崔毅表示：“目前他们正在试验各种不同物质来制成阳极，已经有一些潜在合适材料。”

    斯坦福大学材料科学与工程学院名誉教授罗伯特·哈金斯表示，虽然目前没有形成完整电池，但是新电极的表现已经超过现有任何电池的电极。这一发现为风电系统提供了很好的储能解决途径。崔毅表示：“现在已开发的电极材料在实验室阶段前景巨大，但是商业化推广存在困难。对于这种新电极，不存在这种问题。新电极商业化推广并不困难。我们将化学物质放到烧瓶中，从而得到电极材料，你可以获得更多原料。要生产这种电池，我们没有很大的技术挑战。”

    新电极充电容量较低

    此外，也有业内人士对这一技术提出了不足。卡内基·梅隆大学材料科学与工程教授杰伊·惠特克表示：“相比其他电极，这种电极拥有良好的循环周期，但是其也有自身不足，它的充电容量较低，每克材料电容量只有60毫安时，相比之下，锰氧化物的阴极达100毫安时。虽然说造价低廉，但是以铜代替铁，其成本有所上升。”

    麻省理工学院材料科学与工程教授唐纳德·沙得维表示：“大规模并网储电最重要的指标是每次充电周期所产生能量的价格。这一新材料拥有明显优势，因为它可以实现数万个周期的充放电，成本也将因此降低。其整体性能将优于钠硫电池。”

    阿贡国家实验室电池研究员克里斯托副·约翰逊表示：“除了成本和循环周期之外，往返能源效率对于电网储能也非常重要，这样，充电过程中就不会浪费能量。虽然不知道新电极的成本，但是，它的效率和循环寿命表现卓越。”研究人员还需要研发阳极，以形成完整的电池单元。”<