被提前發明了120年的電池
時間:2021-03-02 10:01來源:新浪科技 作者:葉子
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▲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。
據國外媒體報道，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年后的今天，這款電池終于獲得了人們的認可。
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，卷起的塵土高高揚起，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么新鮮事物，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，并且希望這種電池不久便能為美國各地的車輛供電。這款新電池屬于鎳鐵電池，最早由瑞典發明家恩內斯特·瓦爾德馬爾·揚格納于1899年申請專利，后經愛迪生改進并用在了汽車上。
愛迪生稱，這款鎳鐵電池極其耐用，并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。并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。不過他的電池后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后，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年前后，荷蘭代爾夫特理工大學的一支研究團隊基于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歷一種化學反應，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。
“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，并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后，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，它就變成了一臺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于解決可再生能源的兩大主要挑戰：儲能能力，以及當電池充滿時制造清潔能源的能力。
“我們經常聽到各種各樣關于電池和氫氣的討論，”穆爾德指出，“這兩個方向之間一直存在某種競爭關系，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于，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于平衡太陽能和風能等能源的供求關系。
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后仍可保持穩定，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、電氣與制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征。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于可再生能源還有另一重意義：有助于提高利潤率。
和其它所有行業一樣，可再生能源的價格也由供求關系決定。例如在陽光燦爛的日子里，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于“削峰填谷”，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、并產生氫氣。”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，并且在氫氣制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。電池電解器的支持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，這些比氫氣更易于儲存和運輸。“如果安裝了一臺電池電解器，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劃算的一種選擇。”穆爾德電池電解器的投資人、ProtonVentures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臺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。電池電解器支持者的終極目標是希望它們可以達到吉瓦級別，相當于400臺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制成，這也是它的有利之處。并且與鋰不同，鎳和鐵在開采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。
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。
(責任編輯：子蕊)
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