液态电池——隐藏的登月动力神器

材料牛注：储能电池一直是能源界研究的热点问题。开发新型电池还是坚持旧式电池的开拓创新，美国能源科技孵化部门ARPA-E做出了自己的选择。下面让我们一探究竟。

据说，电网储存的能源只是未完全公开的清洁能源的一半。随着太阳能和风电场规模的扩大，需要有更多的栅极电网来储存能量，以抵抗夜晚及无风多云的天气。在商业化制造的今天，通过飞轮、压缩空气、超导体、抽水水库、蓄热器、氢气、甚至轨道车的岩石上来储存电能的方法也都在研究过程中。

但是ARPA-E（美国能源科技孵化部门）仍然保留着对我们熟悉的电化学电池的强烈关注，他们相信，这类电池会让越来越多的太阳能和风能为我们供电成为可能。

ARPA-E在今年早些时候发表的一项报告中表明：自2009年以来，在电网储能研发方面的投资达8500万美元。该报告详细介绍了该公司电网规模的电池计划，包括预估的成本。该公司表示，其成本最终至少比2010年降低一个数量级。ARPA-E的研究人员说，这或许会让他们在未来几年变成商业上不可小觑的角色。

ARPA-E投资的一些技术和这个方向有关。ARPA-E技术部副主任Eric Rohlfing说， ARPA-E支持项目的投资组合，而不是在任何类别中选择单一的赢家业务。“我们在ARPA-E里做了很多工作，其中一件事情是对技术项目进行了遴选。” Rohlfing说道， “虽然很多项目我们都喜欢，但我们还是要谨慎选择。不能只是由于我看到一个水晶球，就说，'这个特殊的化学物质，这种特殊的液流电池将是解决能源问题的答案'，我认为这是不成熟的。”

Rohlfing认为上述的报告是ARPA-E投资的73个电网储能项目中的一例，在几年甚至几个月前，这些项目的商业机会还是扑朔迷离。（IEEE在早前讨论过其中一些项目。）

位于俄勒冈州的波特兰的Energy Storage Systems（ESS）公司是这些电网规模的电池公司之一，现在已经将他们的电池安装在工程师部署的兵团和加利福尼亚州纳帕的一家酿酒厂内。它的技术是一种有前途的网格存储思想新方法的范例：液流电池。

流体电池是燃料电池与传统电池的混合体。液体电解质在电池的阴极和阳极两侧流动，它们被一层膜分离。电池的容量可以通过增加电解质扩展。如果这种方法在化学反应和工程应用中是可行的，这种电池就有足够的容量来满足电网规模的电力需求，同时它仍有价格低廉，无毒以及不易挥发的特点。当然，说起来容易做起来难。

“在这些液流电池系统中，我们看到很多的潜力，”Rohlfing说。“你有两个可以储存大量能量的大罐子。你可以很容易地扩展能量规模。活性介质是反应部分流过的一小部分。当我们第一次开始的时候，工程用材是钒。钒的使用使储能系统仍然非常昂贵。我们所有的项目都在研究如何降低成本。因此，能量存储系统用材从最初的钒，转换到完全的氯-铁离子。铁是非常便宜的，或者更确切地说，锈便宜。”

ESS公司业务发展和销售部的副总裁Bill Sproull说，公司的铁基电解质价格比钒基电解质价格便宜一个数量级。“现在，我们电解质的成本是大概是每千瓦时15美元。而据我了解，钒电解质的成本大概是每千瓦时150美元，”他说。“尽管是这样，你仍然必须利用足够低成本的材料建立剩余的电池体系，否则你不会扭转这种局势。”

该公司的共同创始人和首席技术官Julia Song说，至少有另外一家公司和两所大学也在研究他们自己的铁基液流电池的化学特性。毫无疑问，在铁基电解质方面，所有的竞争者都面临着一个关键性的挑战：电池的正极和负极的电解液通常在不同pH水平下表现出最佳性能。所以这需要聪明的化学家的努力，使得在操作过程中，两极电解质的pH值保持独立和稳定。

Sproull 和Song都认为这是一个棘手的问题，但也不是不可能优化。它最终需要解决的只有一步。这就是他们说ARPA-E的支持对公司对技术都是非常重要的原因。2012年，因为 “转换储能项目”，ESS公司获得ARPA-E 210万美元资助。

“这真的改变了我们的一切，”Song说。“我们能够获得研究人员和研究场所进行研究，并建立早期的原型体系。在两年半的时间内，我们真的只专注于技术的发展而不必担心资金的筹集。这真的有巨大的不同。”

从那以后，ESS公司拥有了更成熟的技术，并且已经能够筹集风险资本，Sproull说。现在，该公司计划将在一年内批量制造其液流电池系统。

在美国亚利桑纳州斯科茨代尔的Fluidic Energy公司在ARPA-E的支持下，生产出一种锌-空气电池，它服务的对象与ESS公司铁离子液流电池的有所不同。公司的CTO Ramkumar Krishnan说道，这种锌-空气电池已经可以取代铅酸电池和柴油发电机——特别是在发展电网（如农村电气化）或具有长时间支持性的关键设备（例如手机信号塔）的地区，当完整的电网供能系统取代零散的电能资源，电力的可靠性才会得以保障。

锌-空气电池已经存在了几十年，之前主要是供助听器用电。但这次在ARPA-E的支持下，Fluidic公司调整了材料及设计，使得这种锌-空气电池具有了可充电性。

ARPA-E的报告提到了Fluidic公司在发展科技的道路上面临的重重困难。报告中说到：“公司专注于开发一个以离子液体为基体的电解质电池的设计。离子液体是在电池工作温度时呈液态的盐类，它提供离子电导，同时保持足量的电绝缘性。该团队开发出一种不易挥发、在氧环境下可以稳定存在的化学物质，它在电池工作过程中不吸收水分，并且包含有利于锌和空气电极相互反应的添加剂。”

ARPA-E告诉它的受资助者，为了在商业市场中具有价格竞争力，他们需要将电池价格定在每千瓦时100美元，并且保证运行至少5000个周期（即10年日常操作）以及在循环充电放电过程中具有80%或更高的效率。

Fluidic公司的Krishnan说，Fluidic在所有三个类别中均具备竞争力。例如，他说，“现在我们电池的寿命是铅酸电池寿命的四到五倍。我们在电信应用方面提供五年保修承诺，通常他们的“铅酸”电池每18个月更换一次。”

Krishnan说，与ESS公司一样，ARPA-E在Fluidic公司技术发展的关键时刻提供了重要的支持。“纯粹的研发经费由国家基金和国家实验室提供，而资助那些有快速回报并且低风险进入市场的事物是一次冒险行为，幸运的是，ARPA-E很好的平衡了两者间的关系。”他说。

“就像在肯尼迪总统时代，去月球是一个梦想。然而我们通过制定大胆设想，提供切实手段，梦想还是变成现实。相似地，ARPA-E开拓创新，通过允许一些大胆的技术推动前沿发展，让企业将这些技术变为短期内可行，并把它带到一个吸引投资者和公众资助其进一步发展的新水平。”

原文链接：Arpa-E’s Grid Battery Moonshot.

本文由编辑部丁菲菲提供素材，刘冠旗编译，朱晓秀审核，点我加入材料人编辑部。

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