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据国外媒体报道,在 19 与 20 世纪之交时,托马斯 · 爱迪生发明了一款可以产生氢气的电池。而在 120 年后的今天,这款电池终于获得了人们的认可。

被提前发明了 120 年的爱迪生电池

▲产生氢气一度是爱迪生电池的一大危险之处,如今却发挥了巨大作用。

在美国新泽西州西奥兰治的一条碎石路上,一辆电动汽车从行人身边飞驰而过。车子宽敞的内部空间显然令一些人惊诧不已。它的速度是当时传统车型的两倍,卷起的尘土高高扬起,使街上拉车的马匹忍不住皱了皱鼻子。

以上场景发生在 20 世纪初,而这辆车的主人便是托马斯 · 爱迪生。虽然电动汽车在当时已不是什么新鲜事物,但大多数都依赖沉重、笨拙的铅酸电池。爱迪生则在自己的车上装了一款新型电池,并且希望这种电池不久便能为美国各地的车辆供电。这款新电池属于镍铁电池,最早由瑞典发明家恩内斯特 · 瓦尔德马尔 · 扬格纳于 1899 年申请专利,后经爱迪生改进并用在了汽车上。

爱迪生称,这款镍铁电池极其耐用,并且充电速度是铅酸电池的两倍。他甚至与福特汽车达成了协议,准备生产这款据他所称效率更高的电动汽车。

但镍铁电池的确存在一些问题。它的体积比当时使用得更广泛的铅酸电池要大,价格也更昂贵。并且它在充电时会放出氢气,这样既麻烦又危险。

不幸的是,等到爱迪生改进了自己的原型设计时,电动汽车已经逐渐被续航更久的化石燃料汽车取代。爱迪生与福特汽车的协议也就此搁浅。不过他的电池后来在其它方面得到了应用,比如铁路信号灯。在这些地方,这款电池的庞大体积就不是个问题了。

但等到一个多世纪之后,工程师们便会发现,镍铁电池身上其实隐藏着巨大潜力。如今,人们正对它展开研究,希望它能解决风能和太阳能等可再生能源供应不稳、断断续续的问题。此外,它的副产物氢气一度令人头疼,如今看来却可能是这款电池最大的用处之一。

大约 2015 年前后,荷兰代尔夫特理工大学的一支研究团队基于镍铁电池产生的氢气、偶然为该电池找到了一种用武之地。在电池充电过程中,电流从电池中通过时会经历一种化学反应,生成氢气和氧气。该团队认为,该反应与用水生成氢气的反应、即电解水反应类似。

被提前发明了 120 年的爱迪生电池

▲传统电解器也可以将可再生能源转化为氢气,但穆尔德希望能以更高效、更低廉的方式实现这一点。

“在我看来,其中的化学原理是相同的。”该团队带头人弗科 · 穆尔德指出。水的分解反应是产生氢气燃料的一种途径,并且只要驱动该反应的能量也由可再生能源产生,氢气就是一种百分之百的清洁能源。

穆尔德和他的团队还吃惊地发现,镍铁电池的电极开始分解水后,电极储存的能量竟然变得比开始生成氢气前还要高。换句话说,当镍铁电池同时被用作电解装置时,它就变成了一台性能更加优秀的电池。他们还惊讶地发现,该电池的电极可以很好地承受电解反应,而在传统电池中,电解反应往往会令电池遭受严重耗损。“另外,我们对该电池在上述过程中的能量效率也十分满意,可以达到 80%-90%。”穆尔德指出。

穆尔德将他们的作品称作 “电池电解器”(battolyser),希望此次发现能有助于解决可再生能源的两大主要挑战:储能能力,以及当电池充满时制造清洁能源的能力。

“我们经常听到各种各样关于电池和氢气的讨论,”穆尔德指出,“这两个方向之间一直存在某种竞争关系,但我们其实二者都需要。”

可再生价值

风能和太阳能等可再生能源最大的挑战之一在于,它们提供的能量总是难以预测、断断续续。例如,太阳能在白天和夏季提供的能量容易过剩,在夜间和冬季则又常常不足。

被提前发明了 120 年的爱迪生电池

▲镍铁电池电解器有助于平衡太阳能和风能等能源的供求关系。

锂电池等传统电池可以在短期内储存能量,但一旦它们充满了电,就必须将过剩能量释放出去,否则便会过热、产生耗损。而相比之下,镍铁电池电解器即使在充满电后仍可保持稳定,只是继续充电时会开始产生氢气而已。

“镍铁电池持久耐用,承受充电不足和过度充电的能力都比其它电池强。”英国拉夫堡大学机械、电气与制造工程学院助理研究员约翰 · 巴顿指出,他也在对电池电解器展开研究,“通过产生氢气,电池电解器储存能量的时间可以长达数天、甚至数月之久。”

除了产生氢气外,镍铁电池还有其它一些有用的特征。首先,它们无需经常维护。爱迪生在他的早期电动汽车上便已证实,镍铁电池极为持久耐用,有些已经连续使用了 40 年。此外,镍和铁这两种金属也比传统电池使用的金属更加常见。这意味着镍铁电池电解器对于可再生能源还有另一重意义:有助于提高利润率。

和其它所有行业一样,可再生能源的价格也由供求关系决定。例如在阳光灿烂的日子里,太阳能可以提供充足的能量,造成能源价格下跌。而镍铁电池电解器则有助于 “削峰填谷”,使这条价格曲线变得平滑一些。

“当电价较高时,可以让电池放电;而当电价较低时,则可以给电池充电、并产生氢气。”穆尔德指出。

能实现这一功能的不仅仅是镍铁电池电解器,较为传统的碱性电池也可以做到这一点,并且在氢气制造业中已经得到了广泛运用。不过穆尔德认为,镍铁电池电解器的耐久性更强,因此成本更低、使用时间更长。电池电解器的支持者们也因此感到信心满满。

此外,虽然镍铁电池电解器的直接产物是氢气,但也可以生成其它物质,比如氨气或甲烷,这些比氢气更易于储存和运输。“如果安装了一台电池电解器,氨气厂就可以持续运作,所需人工也会更少,进而减少运维成本,因此生成氨气是在可持续前提下最划算的一种选择。”穆尔德电池电解器的投资人、Proton Ventures 公司董事长汉斯 · 弗里安霍夫指出。

扩大规模

目前最大的镍铁电池容量和功率分别为 15KW 和 15kWh,容量和长期氢气储量可以为 1.5 户家庭供电。另外,荷兰埃姆斯哈文发电厂正在筹建一台 30kW/30kWh 的镍铁电池电解器,未来产生的氢气足以满足电厂所需。

一旦镍铁电池电解器在该发电厂通过了严格测验,下一步就是进一步提高规模、分销给绿色能源提供商,如太阳能和风能发电场等等。电池电解器支持者的终极目标是希望它们可以达到吉瓦级别,相当于 400 台公共事业规模的风力发电机的总产能。不过除了增加规模之外,巴顿认为小型电池电解器也能发挥用武之地,可以为不依赖主供电网的偏远社区使用的微型电网供能。

电池电解器的电极均由相对比较便宜和常见的金属制成,这也是它的有利之处。并且与锂不同,镍和铁在开采过程中不会产生大量废水,也不会导致严重的环境破坏。

被提前发明了 120 年的爱迪生电池

▲爱迪生在新泽西的实验室是他许多发明的诞生地。有些在他生前便已闻名遐迩,有些则默默无闻。

不过,穆尔德和巴顿都认为,镍铁电池在效率和容量方面仍有一些障碍需要克服。“电池电解器如果进一步增加电池容量、或者减小内部电阻,可以受益良多。”内部电阻与电池内部电流方向相反,内部电阻越大,电池效率就越低。穆尔德和他的团队如今正在研究如何改进这一方面。

自从爱迪生在上世纪初开始研究镍铁电池以来,镍铁电池电解器的大部分潜力其实一直都摆在眼皮子底下,却始终不曾被人发现。镍铁电池也许不像爱迪生想的那样、适合为汽车供能,但可以加速向可再生能源的过渡,因此或将在广泛取代化石能源的过程中发挥重要作用。

责任编辑:庄婷婷

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