纳米电极助阵并网储电

斯坦福大学的研究人员日前用铜化合物组成的纳米材料研发出了一种新的电池阴极，可反复充电4万次。斯坦福大学材料科学与工程学院副教授崔毅称：“由于该技术造价不高且耐用，它可以满足电网大规模的储能需求。”

崔毅表示：“这一研究为风能、太阳能因天气原因而导致发电量骤降提供了解决方案。因为不能保证每天都是晴天，同时也无法保证每天都刮风，因此如果想要大规模发展风光电，间歇性是其主要障碍。如果我们能有一个高效、持久且可以反复使用的电池，那么我们就可以将风能、太阳能产生的多余电力储存起来。同时，电池的造价不能太过昂贵，否则，无法实现商业化拓展。”

实现4万次充放电

目前，斯坦福大学的研究人员已经部分实现了这一想法，那就是采用铜化合物纳米材料的新电极，在反复充电4万次后，其电池容量依然可以保持83%。而传统锂离子电池的充放电次数为400次，随后电容量就迅速下降。斯坦福大学材料科学与工程学院研究生克林·威尔斯表示：“通过每天进行数次充放电实验，我们预计这个电极的使用寿命能达到30年。”目前有关研究已经发表在《自然·通讯》杂志上，克林·威尔斯是主要作者。

该研究的合著者、克林·威尔斯的导师崔毅表示：“电池能反复充电这么多次，性能丝毫没有减弱，这真是一次突破。”

研究人员首先要采用普鲁士蓝(即亚铁氰化铁)，随后，他们用铜代替一半的铁，用所产生的化合物制成结晶纳米粒子，再把这些粒子涂到布状碳基质上。然后，他们把这种电极沉浸在硝酸钾电解质溶液中。克林·威尔斯表示：“由于钾离子可以自由移动，因此电极的充放电周期非常快，这是非常重要的。”

据介绍，新电池的化学反应采用廉价材料。其原理与锂离子相同，钠或钾离子在电极之间移动，进行充放电。崔毅称：“要并网储电，电池体积会很大，钠和钾很具吸引力，因为它们产量多且廉价。”

性能强于锂离子电池

崔毅带头的研究小组还有不少研究是基于锂离子，锂离子电池能量密度很高，这就是说他们体积相对较小，更适合运用于便携的电子产品，如笔记本电脑等。但是，如果谈到电网的储能问题，能量密度并不是那么重要。你可以有一个像房子那么大的电池， 它不需要便携。另外，成本也是一大考虑。

锂离子电池的一些组件造价昂贵，而且建造一个很大规模的锂离子电池用于电网储能，成本到底多大，目前并不清楚。威尔斯表示：“当时我们认为，如果想开发用于电网储能的电池，我们就应该考虑锂离子以外的原料。我们选用的材料，如铁、铜以及氮都是非常便宜的。另外，我们使用水性电解液，而不是有机电解液，其成本又降低了一些。”

新电极主要是限制就是其化学性质导致它仅适合作为高压电极。但是，每一个电池需要两个电极—— 高电压的阴极和低电压阳极，以通过电压差来产生电力。研究人员需要找到另一种物质制成阳极，才可以制成电池。崔毅表示：“目前他们正在试验各种不同物质来制成阳极，已经有一些潜在合适材料。”

斯坦福大学材料科学与工程学院名誉教授罗伯特·哈金斯表示，虽然目前没有形成完整电池，但是新电极的表现已经超过现有任何电池的电极。这一发现为风电系统提供了很好的储能解决途径。崔毅表示：“现在已开发的电极材料在实验室阶段前景巨大，但是商业化推广存在困难。对于这种新电极，不存在这种问题。新电极商业化推广并不困难。我们将化学物质放到烧瓶中，从而得到电极材料，你可以获得更多原料。要生产这种电池，我们没有很大的技术挑战。”

新电极充电容量较低

此外，也有业内人士对这一技术提出了不足。卡内基·梅隆大学材料科学与工程教授杰伊·惠特克表示：“相比其他电极，这种电极拥有良好的循环周期，但是其也有自身不足，它的充电容量较低，每克材料电容量只有60毫安时，相比之下，锰氧化物的阴极达100毫安时。虽然说造价低廉，但是以铜代替铁，其成本有所上升。”

麻省理工学院材料科学与工程教授唐纳德·沙得维表示：“大规模并网储电最重要的指标是每次充电周期所产生能量的价格。这一新材料拥有明显优势，因为它可以实现数万个周期的充放电，成本也将因此降低。其整体性能将优于钠硫电池。”

阿贡国家实验室电池研究员克里斯托副·约翰逊表示：“除了成本和循环周期之外，往返能源效率对于电网储能也非常重要，这样，充电过程中就不会浪费能量。虽然不知道新电极的成本，但是，它的效率和循环寿命表现卓越。”研究人员还需要研发阳极，以形成完整的电池单元。”