液流电池最终能超越锂电池吗？

电动汽车使用的是一种新型的液流电池，这种设计可以快速更换电量耗尽的电解质或者直接给电池充电，不过后者需要较长的时间。液流电池具有安全、稳定、耐用且易于再加注的特性，非常适合用于平衡电网、提供不间断电源和备用电源。

与同等大小的传统液流电池相比，它可以存储的能量要高15至25倍，电池系统可以小到用于电动汽车，同时能量密度足以提供汽油动力车的续航里程，实现快速燃料再加注。这是美国国防部高级研究计划局（DARPA）战略技术办公室正在进行的一个项目，旨在努力推动军方在2030年前装备全电动补给车和在2050年前装备电动战术车，并预期衍生为民用项目。

从反应的化学方面来说，两种溶液被连续泵入电池电芯分隔的两边。隔膜将两种溶液隔开，离子透过隔膜从一种溶液进入另一种溶液。从电流角度来说，电流从一个电极进入外部电路，转一圈，然后返回到相反的电极。电池可以通过两种方式充电：一种是像传统电池那样，通过反向电流给两种溶液充电，另一种是用充满电的溶液替换耗尽电的溶液。

除了在性能和安全性上优于锂电池外，液流电池也更容易扩展：如果想储存更多能量，只需增加溶液储存罐的大小或提高溶液的浓度；如果想提供更多电力，只需堆叠更多的电池芯或增添新的电池堆。

伊利诺伊州内珀维尔Volta能源技术公司的技术负责人、液流电池专家卡拉•罗德比（Kara Rodby）表示，这种可扩展性使液流电池适用于高达100兆瓦的应用，例如平衡电网中的能量流动。

然而，在给定的体积和质量下，传统液流电池只能储存很少的能量，其能量密度只有锂离子电池的10%。罗德比解释道，这与水溶液能容纳的物质数量有关。一杯水只能溶解一定量的盐。

因此，到目前为止，液流电池对大多数应用来说都过于庞大。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水平。

增加液流电池容量的一个好方法是用纳米流体，它可以将纳米粒子保持在悬浮状态。这些粒子与传统液流电池中溶解的离子一样，在电极表面进行氧化还原反应，但纳米流体的能量密度更高。重要的是，与其他悬浮体（例如水中的沙子）不同，纳米流体被设计成可无限期保持悬浮状态。这种无限期悬浮有助于粒子在系统中移动并与电极接触。这些粒子可以占到液体重量的80%，却不会像机油那么粘稠。

针对这一应用，阿贡国家实验室和伊利诺伊理工学院的研究人员于2009年首次研究了在水基电解质中悬浮的纳米流体。科学家们发现，这种纳米流体电池系统的储能潜力接近锂离子电池，并且液流电池还可以用泵充电。此外，可以用易于获得的廉价矿物制造纳米颗粒，例如可分别用氧化铁和γ晶型二氧化锰制作阳极和阴极。

此外，由于纳米电燃料（NEF）是一种水悬浮液，所以它不会着火或爆炸，如果电池泄漏，这种材料也没有危害性。这种电池具有-40℃至80℃的超宽工作范围。

Influit Energy公司的创始人约翰•卡苏达斯（John Katsoudas）强调了其公司设计的电池与传统液流电池的区别。“我们的新颖之处在于，虽然做的是别人已经（对液流电池）做过的事情，但我们用的是纳米流体。”他说。

卡苏达斯补充说，随着基础科学问题的解决，团队正在开发一种额定能量密度为550至850瓦时/公斤或更高的电池，而标准电动汽车锂离子电池的能量密度为200至350瓦时/公斤。预计，更大型号的电池在支持电网方面也将超越老式液流电池，因为纳米电燃料可以重复使用的次数不低于与液流电池（循环1万次及以上），而且可能更便宜。

他说，这种燃料将根据需要生产，最终达到取代化石燃料的规模。这种燃料可以像今天的汽油一样通过油罐车或升级现有的管道运输到补给站。补给站中已用完的燃料可以用任何来源的电力进行再充电，包括太阳能、风能、水电、核能，以及化石燃料。充电也可以在服务站或电动汽车上进行。在后一种情况下，充电方式与今天的电池电动汽车一样。

如果发生油罐车事故或管道破裂怎么办？

“纳米电燃料会变成一种浆糊状物质，把它扫起来即可。”卡苏达斯解释道。他又补充说，如果不想等它变干，可以加入更多的水来降低酸性，“然后打扫一下就可以了”。

你不会想把那些东西扔掉。“收集起来的东西是电池中最有价值的部分。”他说，“很容易将活性材料加工成可以重复使用的新纳米流体。”

这种带电的液体混合物有哪些风险呢？卡苏达斯表示，该公司已经证明，将阳极液和阴极液直接混合造成的安全隐患非常小。下一代纳米电燃料材料将使用相同的液体，可以将风险降到最低。

从各方面来看，纳米电燃料液流电池似乎比锂离子电池更适合电动汽车和更大的系统。预计，目前这一代纳米电燃料，加上围绕它打造的整个燃料生产、分销和回收生态系统，在电动汽车上应用的成本约为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 Energy公司预计其下一代纳米电燃料液流电池也将进一步下降至50至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。

下面，我们将介绍一下这对电动汽车来说意味着什么。

目前，普通的电动汽车电池的体积与400升纳米电燃料液流电池差不多。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；达到50%时，它可以行驶362公里；达到80%时，为724公里。这些结论都是在液流电池储存罐的大小保持不变的假设下得出的。

科福德表示，对于军方来说，纳米电燃料电池比锂离子电池和内燃机具有更明显的优势。在军用作战车辆中，保护车辆的化石燃料箱至关重要，但这种额外的保护会增加很多重量，要求车辆具有更重的悬架；而增加的重量又会减少续航里程和有效载荷。锂离子电池本身很重，容易起火，为了防止被炮弹击中，需要更重的外壳防护。

相比之下，纳米电燃料电池具有耐火性，因此重量和安全问题大大减少。科福德说：“在系统层面，如果我们能够采用一种安全的化学物质，就不需要在电池中使用太多的内部封装。”他补充道，它们不会散发出太多热量，因此很难从远处观测到。

历史上有很多非常卓越的技术，只因出现得太晚或太早而无法取代在位技术。纳米电燃料液流电池似乎正在超越我们今天现有的技术，或许它会很幸运。

来源：作者Robert N. Charette