液流电池能把锂电池撵出电动汽车领域吗？

当驾驶电动汽车回家时，电池电量显示该充电了。选择一个充电站停下来，在油泵上刷信用卡，将一个喷嘴插入汽车，在5分钟内将400升用过的纳米流体换成了新鲜品。这时，一辆油罐车停下来，通过置换数万升用过的燃料的方式给加油站加油……

这个场景离我们应该不远了，这里的电动汽车电池是液流电池，这种设计可以更换用过的电解液，是最快的一种选择，或者电池可以直接充电，尽管这需要更长的时间。液流电池安全、稳定、持久且易于充电，这些特性非常适合平衡电网、不间断电源和备用电源。

然而，这种电池使用一种全新的液体，称为纳米电燃料。与同等大小的传统液流电池相比，它可以存储15-25倍的能量，使电池系统足够小，可用于‍电动汽车，并且能量密度足以提供汽油动力汽车的续航里程和快速充电。这也是美国国防高级研究计划局（DARPA）战略技术办公室正在进行的一个项目的预期民用衍生项目，该项目是推动2030年前部署‍全电动补给车和在2050年前部署电动战术车的一部分。

使用锂电池会产生一系列问题。首先，你需要一个充电基础设施，对于美国军方来说意味着要部署一个，通常是在不适宜居住的地方。然后就是充电时间长；热失控的危险——即火灾；锂电池的工作寿命相对较短；以及当旧电池不再好用时，获取电池材料和回收困难等。DARPA的目标是开发一种能缓解这些问题的电池，新的液流电池似乎满足每一个目标。如果可行，交通电气化的好处将是巨大的。

液流电池安全耐用

纳米电燃料电池是近一个半世纪前首次提出的氧化还原液流电池的一种新形式。该设计在20世纪中期恢复了活力，被开发用于月球基地，并进一步改进用于电网储能。

液流电池的电池使用两种含有离子的化学溶液，一种用作阳极电解液（靠近阳极），另一种用作阴极电解液（靠近阴极）。两种溶液之间的电化学反应推动电子通过电路。典型的氧化还原液流电池使用基于铁铬或钒化学的离子；后者利用了钒的四种不同的离子状态。

化学反应方面，每种溶液被连续泵入电池的不同侧面。离子通过隔膜从一种溶液进入另一种溶液，隔膜将两种溶液隔开。电性能方面，电流从一个电极进入外部电路，在返回到相反的电极之前循环流动。电池可以通过两种方式充电：两种溶液可以通过相反方向的电流充电，就像传统电池充电一样，或者可以用充电的溶液替换用过的溶液。

除了在性能和安全性上击败锂电池外，液流电池也更容易扩大规模。如果你想储存更多能量，只需增加溶液储存罐的大小或溶液的浓度。如果你想提供更多的电力，只需将更多的电池堆叠在一起或添加新的电池堆。

这种可扩展性使液流电池适用于需求高达100兆瓦的应用，一个例子是平衡电网中能量流动。然而，传统的液流电池在给定的体积和质量下只能储存很少能量。它们的能量密度只有锂离子电池的10%，这与水溶液能容纳的物质数量有关。一杯水中能溶解的盐是有限的。

到目前为止，液流电池对于大多数应用来说还过于庞大。为了将它们缩小到足以安装在电动汽车上，需要将它们的能量密度提高到锂离子电池的能量密度。

纳米颗粒提高液流电池的能量密度

增加液流电池容量的一个好方法是使用纳米流体，这种流体将纳米颗粒保持在悬浮状态。这些粒子在电极表面发生氧化还原反应，类似于传统液流电池中溶解离子的反应，但纳米流体的能量密度更高。重要的是，纳米流体被设计成无限期保持悬浮状态，不像其他悬浮体——例如水中的沙子。这种无限期悬浮有助于粒子在系统中移动并与电极接触。这些颗粒可以占液体重量的80%，同时不会比机油更粘稠。此外，由于纳米电池燃料是一种水悬浮液，它不会着火或爆炸，如果电池泄漏，这种材料也不会有危险。该电池具有-40℃至80℃的宽工作范围。

2013年，一家美国团队获得了美国能源部高级研究计划局（ARPA-E）为期三年、价值344万美元的资助，用于制造1千瓦时纳米燃料电池原型。该原型的成功促使几名主要研究人员剥离出一家名为Influit Energy公司，将该技术商业化。通过额外的政府合同，这家初创公司继续改进该技术的组成部分——纳米电燃料本身、电池架构以及充电和输送系统。

Influit创始人兼首席执行官Katsoudas强调，其设计与传统液流电池不同。“我们的新奇之处在于做了别人已经做过的事情（用液流电池），但用的是纳米流体。”Katsoudas补充说，随着基础科学问题的解决，Influit正在开发一种能量密度为550-850瓦时/千克或更高的电池，而标准电动汽车锂离子电池的能量密度为200-350瓦时/千克。该公司预计，更大版本将在支持电网方面击败老式液流电池，因为纳米电燃料可以重复使用至少与液流电池一样多的次数——1万次或更多次——而且可能更便宜。

他说，这种燃料将根据需要生产，最终以一定规模取代化石燃料。这种燃料可以像今天的汽油一样通过油罐车或对现有管道升级后运输到仓库。在仓库，乏燃料可以用任何来源的电力补充——太阳能、风能、水电、核能或化石燃料。充电也可以在服务站或电动汽车本身进行。在后一种情况下，充电就像今天的电池电动汽车一样。

如果发生油轮事故或管道破裂怎么办？“NEF变成了一种糊状物质，然后你把它扫走，”Katsoudas解释道。他补充说，如果你不想等它变干，可以加入更多的水来降低酸度，“然后你只需要用吸尘器打扫一下。”

带电液体混合的风险有多大？Katsoudas表示，他们已经证明，直接混合现有的不同阳极电解液和阴极电解液构成的安全风险最小，而且由于下一代NEF材料将使用相同的液体，因此风险也最小。

为电动汽车设计液流电池

从各方面看，纳米燃料电池似乎都比锂离子电池更适合用于电动汽车和更大系统。目前这一代纳米电动燃料，加上生产、分销和回收围绕生产燃料所需的整个生态系统，用于电动汽车的成本应该为130美元/千瓦时。相比之下，锂离子电池的成本约为138美元/千瓦时。诚然，锂离子电池的成本将在几年内降至100美元/千瓦时以下，但Influit预计其下一代纳米电燃料将进一步下降至50-80美元/千瓦时左右。下一代系统的能量密度应该是目前锂离子系统的5倍。

这对于电动汽车来说意味着什么？一个典型电动汽车电池的体积与400升纳米燃料电池的体积相当，如果纳米粒子占燃料重量的30%，电动汽车的续航里程将只有105公里。将这一比例提高到40%，续航里程将攀升至274公里。在50%情况下，它可以行驶362公里。在80%情况下，为724公里（450英里）。这一切都是假设液流电池的油箱保持不变。

目前，Influit已经实现了50%的目标，并展示了80%的纳米电燃料。

对于军方来说，纳米电燃料电池比锂离子电池和内燃机有明显的优势。在军用战斗车辆中，保护车辆的化石燃料箱至关重要，但这种额外的保护很重，并要求车辆具有更重的悬架。这种重量反过来又降低了航程和有效载荷。锂离子电池本身很重，容易起火，因此也需要对其进行严密防护，以防止炮弹击中。

相比之下，纳米燃料电池是防火的，因此重量和安全问题大大减少。在系统层面上，如果能够采用一种本质上安全的化学物质，就不需要在电池本身中使用太多的内部包装，也不会释放太多热量，这样从远处就很难发现这些车辆。纳米电燃料液流电池的民用前景诱人，尤其是在航空领域。

使用纳米电燃料，不需要高能电缆，也没有电磁干扰问题。

锂离子电池有一个相当好的开端

要发挥纳米电子燃料技术的潜力，还需要做大量工作。Influit预计，将需要两年时间才能将闭环系统的所有部分整合在一起，并证明其在各种应用中的价值和可扩展性。Katsoudas说，到2025年或2026年，世界将认真考虑为零排放汽车、备用电网、电动多功能车等提供动力的纳米燃料电池。

不过，两个可能的障碍阻碍了这项技术的发展：市场力量和竞争技术。

锂离子电池是一项成熟的技术，拥有发达的市场。数千亿美元正被投入到各种锂电池的开发和改进中，政府承担了大部分投资。例如，DARPA、能源部和国家科学基金会正在与许多公司合作克服锂电池的局限性。欧盟、韩国和其他地方的政府研究机构也在资助类似的研究。为了超越锂电技术，Influit将不得不说服财力极其雄厚的人帮助其扩大规模——也许是从其自己的物流供应链或电动汽车制造商那里。

然后是技术竞争。几乎每天都有新的锂离子电池进展消息。中国科学院研究人员的一份报告宣称拥有711瓦时/千克的锂离子电池。一家中国制造商声称，一种新的磷酸锰铁锂电池化学物质将使电动汽车一次充电行驶1000公里，并持续130年。其他公告涉及锂电池快速充电方面的重大改进，使其在军用车辆中的使用更加安全。

此外，还有不基于锂的新型电池化学物质——例如钠离子和石墨烯电池 。此外，涉及液态金属技术的电网规模电池也取得了进展，并改进了使用锂硫的传统液流电池技术。

Influit的其他直接竞争对手包括电子燃料（使用可再生电力来源从捕获的二氧化碳和水生产的合成碳基和碳中性燃料）以及液态有机氢。这两种燃料都旨在直接取代化石燃料。为了让Influit获得市场采用，该公司需要阐明纳米电燃料的“市场差异”是什么。目前看来这项技术非常适合国防部，国防部可能愿意为此支付额外费用，使Influit能源达到一定规模。

当然，纳米电燃料可能会在其他应用中找到用武之地，比如船舶、火车或飞机。例如，最大的集装箱货船运载约1500万升燃料。如果其中一部分是可以不断充电的纳米电燃料，或许有可能减少船只的碳足迹。

显而易见的卓越技术有着丰富的历史，这些技术要么来得太晚，要么来得太早，无法取代现有技术。纳米燃料电池似乎比我们今天所拥有的更优越，或许也会很幸运。（来源：IEEE spectru；编译：镨元素）