研究人员开发了水基电池 用于存储太阳能和风能

斯坦福大学的研究人员开发出一种水基电池，可以提供一种廉价的方式来储存太阳照射和风吹时产生的风能或太阳能，这样它就可以反馈到电网中，并在需求高时重新分配。

今天在Nature Energy报道的原型锰氢电池只有3英寸高，仅产生20毫瓦时的电力，这与可能悬挂钥匙环的LED手电筒的能量水平相当。

尽管原型的产量很小，但研究人员相信他们可以将这种桌面技术应用到可以充电和充电10,000次的工业级系统，从而创造出一种电网寿命远超过a的电池寿命。十年。

斯坦福大学材料科学教授，该论文的高级作者易翠表示，锰氢电池技术可能是国家能源之谜中缺失的部分之一 - 一种存储不可预测的风能或太阳能的方法，以减少当没有可再生能源时，需要燃烧可靠但排放碳的化石燃料。

“我们所做的就是将一种特殊的盐投入水中，滴入电极，并产生可逆的化学反应，以氢气的形式存储电子，”崔说。

聪明的化学

梦想这个概念并建造原型的团队由崔实验室的博士后学者魏晨领导。从本质上讲，研究人员在水和硫酸锰之间哄骗可逆电子交换，硫酸锰是一种廉价，丰富的工业盐，用于制造干电池，肥料，纸张和其他产品。

为了模仿风能或太阳能源如何为电池供电，研究人员在原型上安装了一个电源。流入的电子与溶解在水中的硫酸锰反应，留下附着在电极上的二氧化锰颗粒。过量的电子以氢气的形式起泡，从而储存这些能量以备将来使用。工程师知道如何利用储存在氢气中的能量重建电力，因此下一步重要的是要证明水基电池可以充电。

研究人员通过将其电源重新连接到耗尽的原型来实现这一目标，这次目的是诱导二氧化锰颗粒附着在电极上与水结合，补充硫酸锰盐。一旦这种盐恢复，进入的电子就会过剩，过剩的能量可能会像氢气一样冒出来，这个过程可以一次又一次地重复。

崔估计，考虑到水基电池的预期寿命，存储足够的电力为100瓦灯泡供电12小时将花费一分钱。

“我们相信这种原型技术将能够满足能源部(DOE)实用的电力储存目标，”崔说。

美国能源部已推荐用于电网规模储存的电池应储存，然后在一小时内放电至少20千瓦，能够至少补充5,000次，并且使用寿命为10年或更长。为了实现这一目标，电池系统的成本应为2,000美元或更低，或每千瓦时100美元。

前能源部秘书和诺贝尔奖获得者Steven Chu现在是斯坦福大学的教授，他长期以来一直关注鼓励技术来帮助国家向可再生能源过渡。

“虽然精确的材料和设计仍需要开发，但这个原型展示了科学和工程的类型，它提出了实现低成本，长效公用电池的新方法，”Chu说，他不是研究团队的成员。

转移碳

据美国能源部估计，美国约70%的电力来自煤炭或天然气工厂，占二氧化碳排放量的40%。转向风能和太阳能发电是减少这些排放的一种方法，但它带来了涉及电力供应变化的新挑战。最明显的是，太阳只在白天闪耀，有时风不吹。

但另一个不太了解但进口形式的变化来自电网需求的激增 - 高压电线网络将电力分配到地区并最终分配给家庭。在炎热的一天，当人们下班回家并启动空调时，公用事业必须采用负载平衡策略来满足高峰需求：在几分钟内提高发电量的一些方法，以避免停电或停电，否则可能导致电网停电。

如今，公用事业公司通常会通过启动按需或“可调度”发电厂来实现这一目标，这些发电厂可能在一天中大部分时间闲置，但可以在几分钟内上线 - 产生快速能源但增加碳排放。一些公用事业公司开发了短期负荷平衡，不依赖于化石燃料燃烧设备。这种策略最常见和最具成本效益的是抽水蓄能：使用多余的电力将水输送到上坡，然后让它回流以在高峰需求期间产生能量。然而，水力发电存储仅适用于有水和空间的地区，因此为了使风能和太阳能更加有用DOE鼓励使用高容量电池作为替代方案。

高容量，低成本

崔说，市场上有几种类型的可充电电池技术，但目前尚不清楚哪种方法能够满足能源部的要求，并证明其对维护国家电网的公用事业，监管机构和其他利益相关者的实用性。

例如，崔说，可充电锂离子电池，存储运行手机和笔记本电脑所需的少量能源，是基于稀有材料，因此太昂贵，无法存储邻里或城市的电力。崔说，电网规模的存储需要一个低成本，高容量，可充电的电池，锰氢工艺似乎很有希望。

“其他可充电电池技术在一生中很容易超过成本的5倍，”崔补充道。

陈说，新型化学，低成本材料和相对简单使锰氢电池成为低成本电网规模部署的理想选择。

“我们在Nature Energy上报告的突破有可能符合DOE的电网规模标准，”Chen说。

原型需要开发工作来证明自己。一方面，它使用铂作为催化剂来刺激电极上的关键化学反应，使充电过程高效，并且该组件的成本对于大规模部署来说是不可取的。但陈说，该团队已经在研究更便宜的方法来诱导硫酸锰和水进行可逆电子交换。

“我们已经确定了可能使我们低于每千瓦时DOE目标100美元的催化剂，”他说。

研究人员报告说，对原型进行了10,000次充电，这是DOE要求的两倍，但他们表示有必要在实际电网储存条件下测试锰氢电池，以便真正评估其寿命性能和成本。

崔说他已经通过斯坦福技术许可办公室寻求专利流程，并计划组建一家公司将该系统商业化。

Yi Cui还是SLAC国家加速器实验室光子科学理事会的教授，以及Precourt能源研究所的高级研究员，Stanford Bio-X和斯坦福神经科学研究所的成员。其他共同作者包括材料科学与工程访问学者李国栋，现在与中国科学院合作; 博士后学者王红霞，万家玉，廖磊，陈光绪，王姜燕; 访问学者郝章; 和研究生郑亮，李章章和艾伦裴。