燃料电池
美国从单一锂离子电池走向燃料电池“百家争鸣”
2019/10/16 12:04:24
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截止目前，人类对可再生能源的大部分研究都集中于如何替代煤炭、天然气、石油等化石燃料。人们普遍认为，如果能够找到汽油、柴油等石油产品的清洁替代品（如新的液体燃料或燃料电池），很多问题就能迎刃而解。然而，可再生能源领域的投资前景十分不确定，让相关研究受到了很大限制，即使是风险投资家行动起来也是小心翼翼。
然而，美国政府似乎想要打破这一僵局，美国能源部长朱棣文表示，他们正在寻找奇迹。美国能源高级研究计划署（ARPA-E）正是奇迹的推动者，它成立的目的就是为高风险、高回报项目提供资金支持。《纽约时报》表示，ARPA-E可与著名的五角大楼国防高级研究计划署相媲美，在后者的资助下一系列享誉全球的技术诞生了，其中就包括因特网，足见美国对ARPA-E的重视程度。ARPA-E两年的预算投资为4亿美元。
ARPA-E的投资重点之一便是燃料电池的研发。《纽约时报》介绍，目前美国能源部已经完全改变了燃料电池上的策略。上世纪90年代，美国能源部曾决定将所有精力用于研发锂离子电池，而完全放弃其他类型电池的研究。但直到今天，普通燃料电池的储能效率都未能有大的突破，这也许就是美国能源部改变策略的原因之一。科学家介绍，一磅汽油所含能量要比一磅铅酸蓄电池高35倍，比锂离子电池高6倍。由于汽车携带能源本身也需耗能，单位重量内所含能量越多，效率就会越高。如何减小电池重量，同时提高储能效率便成了研发重点。
《纽约时报》介绍，一家刚刚成立的新公司正在ARPA-E的资助下研发如何使用纳米管储存能量，他们的目标是制造出大小如手电筒的电池，虽然它能储蓄的能量只有普通电池的30%，但却可以在2秒钟之内完成充放电。纳米管壁仅有12个原子叠加的厚度。壁与壁之间的空间十分有限，供可供带电离子停留。这样一来，大量带电微粒都会挤入狭小的空间内。研究人员将纳米管结构形象地比喻成了架子非常薄的书架，架中空间仅可容纳书本。由于纳米管壁之间是靠物理连接，而不是化学连接，其内的带电微粒几乎可以在瞬间完成充放电。利用这一原理生产出来的便是体积小、重量轻、储能空间大的电池。
在另一个麻省理工学院的实验室内，科学家辛德尔正与其团队一起研发所谓的“物质基因”，使用计算机预测可用于制造电池物质的特性，随后筛选出计算机认为最有前途的物质，用于电池生产。研究人员表示，物质基因可以加速人类对物质知识的掌握，从而推动新物质的研发。据悉，ARPA-E已经投资了320万美元用于研究镁在电池中的特性。研究人员介绍，今天使用的电池，不管是锂离子电池还是老式的铅酸电池，在充电或放电时，都只有一个原子游离于正极和负极之间，携带单个电子。但镁原子的独特之处在于，它可以携带两个电子。这一特性使得镁电池可以在体积和重量只有普通电池一半的情况下，储存与普通电池相同的能量。
