能量密度高三倍，有助航空電動(dòng)化，新型燃料電池原型裝置獲驗(yàn)證

用電極和離子傳導(dǎo)陶瓷膜改裝的H電池，用于進(jìn)行鈉空氣燃料電池實(shí)驗(yàn)。圖片來源：《焦耳》美國麻省理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)提出了一種具有突破潛力的新技術(shù)方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種新型電池原型裝置，其單位重量的能量密度可達(dá)當(dāng)前電動(dòng)汽車所用鋰離子電池的三倍以上。該成果有望推動(dòng)交通方式向電氣化邁進(jìn)。相關(guān)研究成果于27日發(fā)表在《焦耳》雜志上。

就電池的儲(chǔ)電量而言，在給定重量下，其容量已接近物理極限。這一瓶頸問題對(duì)能源創(chuàng)新及飛機(jī)、火車和輪船等交通工具的動(dòng)力系統(tǒng)電氣化轉(zhuǎn)型構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

此次的新電池是一種燃料電池。其通過補(bǔ)充燃料實(shí)現(xiàn)能量再生，而非依賴外部充電。該電池的燃料為液態(tài)金屬鈉，這是一種價(jià)格低廉且資源豐富的材料；其中一側(cè)則為空氣，作為氧原子的來源。兩者之間由一層固體陶瓷材料構(gòu)成電解質(zhì)，允許鈉離子自由通過；而面向空氣的一側(cè)設(shè)有多孔電極，有助于鈉與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并釋放電能。

這項(xiàng)技術(shù)具備革命性潛力，尤其對(duì)于航空業(yè)這樣對(duì)重量極為敏感的領(lǐng)域而言，能量密度的大幅提升可能帶來關(guān)鍵性突破，最終使電動(dòng)飛行實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)用化。

目前，現(xiàn)實(shí)中的電動(dòng)航空所需的門檻大約是每公斤1000瓦時(shí)的能量密度。當(dāng)前電動(dòng)汽車使用的鋰離子電池最高能量密度約為每公斤300瓦時(shí)，遠(yuǎn)未達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)。即便未來能達(dá)到每公斤1000瓦時(shí)，也尚不足以支撐跨洲或跨洋飛行。

團(tuán)隊(duì)此次制作了兩種不同版本的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模系統(tǒng)原型。其中一種被稱為H電池，另一個(gè)原型采用水平設(shè)計(jì)。在嚴(yán)格控制濕度的氣流條件下測試顯示，僅單個(gè)“電池堆”的能量密度接近每公斤1700瓦時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的平均能量密度也超過每公斤1000瓦時(shí)。若將該系統(tǒng)用于飛機(jī)，可以設(shè)計(jì)成類似自助餐廳餐盤架的形式，將多個(gè)鈉燃料包插入燃料電池中。燃料包內(nèi)的鈉金屬在發(fā)電過程中參與化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的副產(chǎn)品則從飛機(jī)尾部排出，類似于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣。

團(tuán)隊(duì)初步計(jì)劃是開發(fā)一種磚塊大小的燃料電池模塊，預(yù)計(jì)可提供約1000瓦時(shí)的電能，足以驅(qū)動(dòng)一架大型農(nóng)業(yè)無人機(jī)，從而驗(yàn)證該技術(shù)的實(shí)際可行性。研究人員希望能在明年內(nèi)完成這一演示驗(yàn)證工作。

總編輯圈點(diǎn)

這是高能量密度儲(chǔ)能技術(shù)的重大突破。它最大意義在于其廣闊的應(yīng)用前景，尤其在航空領(lǐng)域，傳統(tǒng)鋰電池因能量密度限制難以支撐電動(dòng)飛行器長時(shí)間運(yùn)行，而該燃料電池不僅大幅減輕了電池重量，還具備續(xù)航優(yōu)勢，為區(qū)域電動(dòng)航空發(fā)展提供了可行路徑。此外，該系統(tǒng)還能拓展至海運(yùn)、鐵路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，助力交通行業(yè)實(shí)現(xiàn)深度脫碳。未來若能在無人機(jī)等平臺(tái)率先驗(yàn)證成功，將為大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，并推動(dòng)交通電氣化邁向新階段。