提前發明了120年的電池
2021年03月02日09:08
產生氫氣一度是愛迪生電池的一大危險之處,如今卻發揮了巨大作用。
產生氫氣一度是愛迪生電池的一大危險之處,如今卻發揮了巨大作用。

  新浪科技訊 北京時間3月2日消息,據國外媒體報導,在19與20世紀之交時,托馬斯·愛迪生發明了一款可以產生氫氣的電池。而在120年後的今天,這款電池終於獲得了人們的認可。

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

  以上場景發生在20世紀初,而這輛車的主人便是托馬斯·愛迪生。雖然電動汽車在當時已不是什麼新鮮事物,但大多數都依賴沉重、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,並且希望這種電池不久便能為美國各地的車輛供電。這款新電池屬於鎳鐵電池,最早由瑞典發明家恩內斯特·瓦爾德馬爾·揚格納於1899年申請專利,後經愛迪生改進並用在了汽車上。

  愛迪生稱,這款鎳鐵電池極其耐用,並且充電速度是鉛酸電池的兩倍。他甚至與福特汽車達成了協議,準備生產這款據他所稱效率更高的電動汽車。

  但鎳鐵電池的確存在一些問題。它的體積比當時使用得更廣泛的鉛酸電池要大,價格也更昂貴。並且它在充電時會放出氫氣,這樣既麻煩又危險。

  不幸的是,等到愛迪生改進了自己的原型設計時,電動汽車已經逐漸被續航更久的化石燃料汽車取代。愛迪生與福特汽車的協議也就此擱淺。不過他的電池後來在其它方面得到了應用,比如鐵路信號燈。在這些地方,這款電池的龐大體積就不是個問題了。

  但等到一個多世紀之後,工程師們便會發現,鎳鐵電池身上其實隱藏著巨大潛力。如今,人們正對它展開研究,希望它能解決風能和太陽能等可再生能源供應不穩、斷斷續續的問題。此外,它的副產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2015年前後,荷蘭代爾夫特理工大學的一支研究團隊基於鎳鐵電池產生的氫氣、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會經曆一種化學反應,生成氫氣和氧氣。該團隊認為,該反應與用水生成氫氣的反應、即電解水反應類似。

傳統電解器也可以將可再生能源轉化為氫氣,但穆爾德希望能以更高效、更低廉的方式實現這一點。
傳統電解器也可以將可再生能源轉化為氫氣,但穆爾德希望能以更高效、更低廉的方式實現這一點。

  “在我看來,其中的化學原理是相同的。”該團隊帶頭人弗科·穆爾德指出。水的分解反應是產生氫氣燃料的一種途徑,並且只要驅動該反應的能量也由可再生能源產生,氫氣就是一種百分之百的清潔能源。

  穆爾德和他的團隊還吃驚地發現,鎳鐵電池的電極開始分解水後,電極儲存的能量竟然變得比開始生成氫氣前還要高。換句話說,當鎳鐵電池同時被用作電解裝置時,它就變成了一台性能更加優秀的電池。他們還驚訝地發現,該電池的電極可以很好地承受電解反應,而在傳統電池中,電解反應往往會令電池遭受嚴重耗損。“另外,我們對該電池在上述過程中的能量效率也十分滿意,可以達到80%-90%。”穆爾德指出。

  穆爾德將他們的作品稱作“電池電解器”(battolyser),希望此次發現能有助於解決可再生能源的兩大主要挑戰:儲能能力,以及當電池充滿時製造清潔能源的能力。

  “我們經常聽到各種各樣關於電池和氫氣的討論,”穆爾德指出,“這兩個方向之間一直存在某種競爭關係,但我們其實二者都需要。”

  可再生價值

  風能和太陽能等可再生能源最大的挑戰之一在於,它們提供的能量總是難以預測、斷斷續續。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。

鎳鐵電池電解器有助於平衡太陽能和風能等能源的供求關係。
鎳鐵電池電解器有助於平衡太陽能和風能等能源的供求關係。

  鋰電池等傳統電池可以在短期內儲存能量,但一旦它們充滿了電,就必須將過剩能量釋放出去,否則便會過熱、產生耗損。而相比之下,鎳鐵電池電解器即使在充滿電後仍可保持穩定,只是繼續充電時會開始產生氫氣而已。

  “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它電池強。”英國拉夫堡大學機械、電氣與製造工程學院助理研究員約翰·巴頓指出,他也在對電池電解器展開研究,“通過產生氫氣,電池電解器儲存能量的時間可以長達數天、甚至數月之久。”

  除了產生氫氣外,鎳鐵電池還有其它一些有用的特徵。首先,它們無需經常維護。愛迪生在他的早期電動汽車上便已證實,鎳鐵電池極為持久耐用,有些已經連續使用了40年。此外,鎳和鐵這兩種金屬也比傳統電池使用的金屬更加常見。這意味著鎳鐵電池電解器對於可再生能源還有另一重意義:有助於提高利潤率。

  和其它所有行業一樣,可再生能源的價格也由供求關係決定。例如在陽光燦爛的日子裡,太陽能可以提供充足的能量,造成能源價格下跌。而鎳鐵電池電解器則有助於“削峰填穀”,使這條價格曲線變得平滑一些。

  “當電價較高時,可以讓電池放電;而當電價較低時,則可以給電池充電、並產生氫氣。”穆爾德指出。

  能實現這一功能的不僅僅是鎳鐵電池電解器,較為傳統的堿性電池也可以做到這一點,並且在氫氣製造業中已經得到了廣泛運用。不過穆爾德認為,鎳鐵電池電解器的耐久性更強,因此成本更低、使用時間更長。電池電解器的支援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物是氫氣,但也可以生成其它物質,比如氨氣或甲烷,這些比氫氣更易於儲存和運輸。“如果安裝了一台電池電解器,氨氣廠就可以持續運作,所需人工也會更少,進而減少運維成本,因此生成氨氣是在可持續前提下最划算的一種選擇。”穆爾德電池電解器的投資人、Proton Ventures公司董事長漢斯·弗里安霍夫指出。

  擴大規模

  目前最大的鎳鐵電池容量和功率分別為15KW和15kWh,容量和長期氫氣儲量可以為1.5戶家庭供電。另外,荷蘭埃姆斯哈文發電廠正在籌建一台30kW/30kWh的鎳鐵電池電解器,未來產生的氫氣足以滿足電廠所需。

  一旦鎳鐵電池電解器在該發電廠通過了嚴格測驗,下一步就是進一步提高規模、分銷給綠色能源提供商,如太陽能和風能發電場等等。電池電解器支援者的終極目標是希望它們可以達到吉瓦級別,相當於400台公共事業規模的風力發電機的總產能。不過除了增加規模之外,巴頓認為小型電池電解器也能發揮用武之地,可以為不依賴主供電網的偏遠社區使用的微型電網供能。

  電池電解器的電極均由相對比較便宜和常見的金屬製成,這也是它的有利之處。並且與鋰不同,鎳和鐵在開採過程中不會產生大量廢水,也不會導致嚴重的環境破壞。

愛迪生在新澤西的實驗室是他許多發明的誕生地。有些在他生前便已聞名遐邇,有些則默默無聞。
愛迪生在新澤西的實驗室是他許多發明的誕生地。有些在他生前便已聞名遐邇,有些則默默無聞。

  不過,穆爾德和巴頓都認為,鎳鐵電池在效率和容量方面仍有一些障礙需要克服。“電池電解器如果進一步增加電池容量、或者減小內部電阻,可以受益良多。”內部電阻與電池內部電流方向相反,內部電阻越大,電池效率就越低。穆爾德和他的團隊如今正在研究如何改進這一方面。

  自從愛迪生在上世紀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一直都擺在眼皮子底下,卻始終不曾被人發現。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,因此或將在廣泛取代化石能源的過程中發揮重要作用。(葉子)

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