能源公用事業(yè)公司在越來(lái)越多地尋找一些電池，以有助于穩(wěn)定電網(wǎng)。因?yàn)榭梢钥焖俅鎯?chǔ)，提供充電，這些電池就可以消除供需波動(dòng)，有助于納入多變的電力來(lái)源，如風(fēng)能和太陽(yáng)能。然而，現(xiàn)有的電池技術(shù)不是過(guò)于昂貴，就是不能使用足夠的充電周期，難以實(shí)用。
現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)(Stanford University)的研究人員已經(jīng)演示了一種高效新型納米材料的電池電極，持續(xù)40000個(gè)充電周期，不會(huì)明顯喪失電荷存儲(chǔ)容量。這項(xiàng)工作的領(lǐng)導(dǎo)是崔毅(Yi Cui)，他是斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程教授。崔毅說(shuō)，這種電極是第一步，可制成新型低成本電池，適于存儲(chǔ)大量電網(wǎng)電力。
電池測(cè)試：浸入硝酸鉀電解液的電極，制備時(shí)采用銅和鐵為基礎(chǔ)的納米材料，可帶來(lái)低成本電池，用于并網(wǎng)儲(chǔ)電。
崔毅的新電池化學(xué)反應(yīng)，使用廉價(jià)豐富的材料。它依靠鋰離子電池中使用的相同原理，在電極之間移動(dòng)鈉或鉀離子，進(jìn)行充電和放電，但它做得更便宜。“要并網(wǎng)儲(chǔ)電，電池就要很大，而且，使用鈉和鉀很有吸引力，因?yàn)樗鼈兪侨绱素S富而廉價(jià)，”崔毅說(shuō)。這些電池將使用水性電解液，更便宜也更容易使用，勝過(guò)鋰離子電池使用的有機(jī)溶劑型電解質(zhì)。
這種新的電極在一篇論文中做了說(shuō)明，論文今天在線發(fā)表在《自然•通訊》雜志，這種新電極也以常用材料為基礎(chǔ)。研究人員首先要采用普魯士藍(lán)(Prussian Blue)顏料，就是一種鐵和氰化物(cyanide)。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(potassium nitrate)電解質(zhì)溶液中。
這種電極在4萬(wàn)次充電周期后，可保持83%的充電容量，相比之下，鉛酸蓄電池(lead-acid batteries)只能使用幾百個(gè)周期，而鋰離子電池通常使用1000次。這種電極也呈現(xiàn)出99%的能量效率。“你希望，充電時(shí)輸入的電壓和放電時(shí)輸出的電壓相同，”崔毅說(shuō)。“對(duì)比其他任何電池材料，這絕對(duì)是最好的。”
杰伊•惠特克(Jay Whitacre)是卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)材料科學(xué)與工程教授，也是鈉離子電池新創(chuàng)公司阿奎恩能源公司(Aquion Energy)的創(chuàng)始人，這家公司在匹茲堡(Pittsburgh)，他說(shuō)，這種電極表現(xiàn)出良好的循環(huán)壽命，但指出，它們的充電容量是比較低的：每克材料60毫安時(shí)，相比之下，阿奎恩公司的錳氧化物(manganese oxide)陰極達(dá)100毫安時(shí)。此外，他說(shuō)，“它是基于銅，現(xiàn)在，這實(shí)際上是相當(dāng)昂貴的。”
然而，大規(guī)模并網(wǎng)儲(chǔ)電最重要的指標(biāo)，是每次循環(huán)能量的單價(jià)，唐納德•沙德維(Donald Sadoway)說(shuō)，他是麻省理工學(xué)院(MIT)材料科學(xué)與工程教授。在這方面，這種新材料具有數(shù)萬(wàn)次周期，比其他電池都有優(yōu)勢(shì)。“最后，就歸結(jié)到成本，”他說(shuō)。“如果它們能提供這樣的性能，成本大大低于鈉硫(sodium-sulfur)，那它們就成為優(yōu)勝者了。”除了成本和循環(huán)壽命之外，“往返能源效率對(duì)于電網(wǎng)儲(chǔ)能也非常重要，這樣，充電過(guò)程中就不會(huì)浪費(fèi)能量，”克里斯托弗•約翰遜(christopher Johnson)說(shuō)，他是阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)電池研究員。雖然不知道新電極的成本，但是，它的效率和循環(huán)壽命“令人印象深刻，”他說(shuō)。研究人員還需要演示一種完整的電池單元，要有兩個(gè)電極，但這可能會(huì)改變這些數(shù)字，約翰遜補(bǔ)充說(shuō)。
迄今制成的電極都是用作陰極。崔毅說(shuō)，他的小組正在調(diào)整這種材料的化學(xué)反應(yīng)，以制備一種陽(yáng)極，他們也在研制原型電池。