近年來，隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮母邼q，被稱為“推動世界前進的重要元素”的鋰，成為充電與續(xù)航領(lǐng)域的“主咖”。
以較高的能量密度與較徹底的充放電深度為優(yōu)勢的鋰離子電池，是目前移動端使用的最靠譜的電池。在手機、電腦、電動汽車等絕大多數(shù)需要用到充電電池的場景中，人們都可以看到鋰電子電池的身影。
統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，世界鋰電池市場正以每年15%的高速度增長。而在鋰電池產(chǎn)量不斷沖向新高的同時，對于生產(chǎn)鋰電池電極的原材料的需求量也大幅攀升。目前，全球每年的鋰需求約達到17萬噸碳酸鋰等量。
為了滿足現(xiàn)有的鋰電池生產(chǎn)需求，全世界范圍內(nèi)各個鋰礦場的產(chǎn)能都已被逼到了極限。而且，加速開采還會讓這種有限的礦產(chǎn)資源提前消耗殆盡。因此，對于鋰離子電池而言，其可能面臨一個大多數(shù)商品都不會面臨的挑戰(zhàn)：產(chǎn)量的提升不但無法使價格下降，反而可能使其急劇升高。
為了解決這個問題，科學家們開始另辟蹊徑，試圖尋找全新的解決方案。近日，澳大利亞皇家墨爾本理工大學（RMIT）的研究人員研發(fā)出了全球第一款可充電質(zhì)子電池，向現(xiàn)有的鋰電池技術(shù)發(fā)起了挑戰(zhàn)。
另辟蹊徑
隨著世界向可再生能源邁進，人們對存儲技術(shù)的需求也變得非常迫切，但目前這些技術(shù)卻都依賴于相對稀有而昂貴的金屬鋰。
“鋰離子電池非常棒，但它們依賴于最終稀缺且昂貴的資源。”皇家墨爾本理工大學首席研究員John Andrews坦言。
為此，科研人員將主攻方向放在了電池技術(shù)的原料上，試圖在廉價而豐富的材料上做文章。
2014年，該研究小組提出了“質(zhì)子流電池”這一全新概念。所謂質(zhì)子流電池，是將可以儲存電能的金屬氫化物與可逆的質(zhì)子交換膜（PEM）融合在一起的一種燃料電池。
據(jù)研究人員介紹，與一般的電池操作不同，質(zhì)子流電池充電的過程，不包含將水分解成氫氣和氧氣并將氫氣儲存起來的過程。在這個概念系統(tǒng)中，電池分解水產(chǎn)生質(zhì)子（氫離子），然后在燃料電池的一個電極上，將電子和金屬顆粒結(jié)合起來。最終，能量以固態(tài)金屬氫化物的形式被存儲下來。而在反向的流程中，它又可以產(chǎn)生電（和水），并讓質(zhì)子與空氣中的氧氣結(jié)合起來（生成水）。
顯然，與鋰離子相比，質(zhì)子電池要更加經(jīng)濟得多。基于質(zhì)子流電池的概念，研究小組隨后打造出了初級概念的可充電質(zhì)子電池原型，并在最初的實驗上取得了令人振奮的結(jié)果。
可充電 零排放
歷經(jīng)多年不懈的實驗與探索，可充電質(zhì)子電池終于得以揭開神秘面紗。盡管這只是個1.2V的小尺寸原型，然而其與生俱來的潛力卻不可小覷。
首先，與鋰離子電池相比，質(zhì)子電池由碳材料組成電極，而碳材料在地球上極為豐富，成本較低；同時，其通過水解分子充電，而從水中獲取質(zhì)子十分容易。
其次，與其他充電電池一樣，質(zhì)子電池插入充電端口，電極中的碳與生成的質(zhì)子結(jié)合，在電源的幫助下分解水；質(zhì)子再次釋放并通過可逆燃料返回，與空氣中的氧形成水繼而產(chǎn)生電。其整體性能十分強大，實驗結(jié)果顯示，5.5平方公分的質(zhì)子電池活性內(nèi)表面積便可儲存與一般市售鋰離子電池相當?shù)哪芰浚疫@還只是未被優(yōu)化的原型。
再次，由于質(zhì)子電池在充電過程中，由可逆燃料電池中的水分解產(chǎn)生的質(zhì)子通過細胞膜傳導(dǎo)，并借助于施加的電壓提供的電子直接與存儲材料結(jié)合，而不形成氫氣，因此其在能量效率上可與鋰離子電池相媲美。
最后，質(zhì)子電池本身不會產(chǎn)生碳排放，可以儲存來自零排放的可再生能源電力，對環(huán)境極其友好。
在Andrews看來，最新成果“向廉價、可持續(xù)的質(zhì)子電池邁出了關(guān)鍵的一步，質(zhì)子電池有助于滿足人們未來對能源的需求，而且還不會破壞我們極為脆弱的環(huán)境”。
他認為，未來5~10年內(nèi)質(zhì)子電池將會投入市場。“當進入市場時，它將可能成為特斯拉Powerwall的競爭對手。我們希望它能在（位于南澳大利亞）特斯拉電池儲能系統(tǒng)甚至更大的規(guī)模上獲得應(yīng)用。”
盡管取得了階段性的突破，但研究小組還有很多工作需要跟進。“未來的工作將集中于通過使用諸如石墨烯等原子級薄層碳基材料進一步提高質(zhì)子電池的性能和能量密度，旨在打造能與鋰離子電池真正相媲美的質(zhì)子電池。”Andrews對質(zhì)子電池的前景充滿信心。■