麻省理工学院的碳捕捉钠燃料电池可以为飞机提供动力

传统电池的储能能力已开始达到极限。这对电动交通的未来发展构成了巨大障碍，尤其是对于飞机、火车和轮船等耗能设备而言。如今，麻省理工学院的一组研究人员及其同事可能找到了一种突破这一限制的方法——这令人兴奋不已。

他们的新设计不是普通的电池，而是燃料电池。它像普通电池一样，通过化学反应产生电能，但有一个主要优势：它可以快速加注，而不是缓慢充电。这种特殊的燃料电池使用液态金属钠（一种低成本且广泛可用的材料）作为能量来源。另一种成分？普通空气。它们之间的固体陶瓷层有助于钠离子穿过，而空气侧的特殊电极会引发反应并产生电能。

当团队测试原型时，结果令人震惊。钠空气燃料电池每公斤储存的能量是当今电动汽车使用的锂离子电池的三倍多。这是一个巨大的飞跃。这项研究成果于5月27日发表在《焦耳》杂志上，由麻省理工学院博士生Karen Sugano、Sunil Mair、Saahir Ganti-Agrawal、Yet-Ming Chiang教授及其同事共同完成。

改造后的H型电池，配备电极和离子传导陶瓷膜，用于钠空气燃料电池实验。图片来源：Gretchen Ertl

“我们预料到人们会认为这是一个完全疯狂的想法，”京瓷陶瓷教授江先生说道。“如果他们不这么认为，我会有点失望，因为如果人们一开始不觉得某件事完全疯狂，那么它很可能就不会那么具有革命性。”

他表示，这项技术确实具有相当革命性的潜力。尤其对于重量至关重要的航空业而言，能量密度的提升可能带来突破，最终使电动飞行大规模实用化。

“现实电动航空真正需要的门槛大约是每公斤1000瓦时，”蒋说。目前电动汽车锂离子电池的最高能量密度约为每公斤300瓦时——远远达不到需求。他说，即使达到每公斤1000瓦时，也不足以实现跨大陆或跨大西洋的飞行。

对于任何已知的电池化学来说，这仍然是无法实现的，但蒋表示，达到每公斤 1000 瓦的功率将成为区域电动航空的一项有利技术，区域电动航空约占国内航班的 80% 和航空排放量的 30%。

这项技术也能助力其他行业，包括海运和铁路运输。“这些行业都需要非常高的能量密度，而且都需要低成本，”他说道。“这正是我们选择金属钠的原因。”

过去三十年来，锂空气电池或钠空气电池的研发投入了大量精力，但要实现完全可充电却并非易事。“人们很早就意识到金属空气电池的能量密度，而且它极具吸引力，但却从未在实践中实现过，”蒋教授说道。

研究人员运用相同的基本电化学概念，仅将其改造成燃料电池而非普通电池，便能够以实用形式获得高能量密度的优势。普通电池的材料组装一次后便密封在容器中，而燃料电池则不同，载能材料需要反复进出。

研究团队成员，从左至右：Saahir Ganti-Agrawal、Karen Sugano、Sunil Mair 和 Yet-Ming Chang。图片来源：Gretchen Ertl

该团队制作了两种不同版本的实验室规模系统原型。其中一种被称为 H 电池，两根垂直玻璃管由一根横跨中间的管子连接，该管子内含固体陶瓷电解质材料和多孔空气电极。液态钠金属填充在管子的一侧，空气流过另一侧，为中心的电化学反应提供氧气，最终逐渐消耗钠燃料。另一个原型采用水平设计，用一个装有电解质材料的托盘盛放液态钠燃料。促进反应的多孔空气电极固定在托盘底部。

蒋说，通过对湿度进行严格控制的气流进行测试，单个“电池堆”的发电量超过每公斤 1500 瓦时，相当于整个系统发电量超过 1000 瓦时。

研究人员设想，为了在飞机上使用该系统，需要将包含成堆电池的燃料包（就像自助餐厅里摆放的餐盘架一样）插入燃料电池中；这些燃料包内的钠金属在提供动力时会发生化学反应。产生的化学副产品会从飞机尾部排出，类似于喷气发动机的尾气。

但有一个非常大的区别：不会产生二氧化碳排放。相反，这些由氧化钠组成的排放物实际上会吸收大气中的二氧化碳。这种化合物会迅速与空气中的水分结合生成氢氧化钠——一种常用于排水管清洁剂的物质——氢氧化钠很容易与二氧化碳结合形成固体物质碳酸钠，碳酸钠又会形成碳酸氢钠，也就是小苏打。

该系统（流动池）的实验室规模原型示例。图片来源：Gretchen Ertl

“从金属钠开始，就会发生一系列自然的级联反应，”蒋说。“一切都是自发的。我们不需要做任何事情来实现它，我们只需要驾驶飞机。”

另外一个好处是，如果最终产品碳酸氢钠进入海洋，它可以帮助降低水的酸度，抵消温室气体的另一个破坏性影响。

使用氢氧化钠捕获二氧化碳曾被提议作为一种减少碳排放的方法，但就其本身而言，这并不是一个经济的解决方案，因为氢氧化钠这种化合物太昂贵了。“但在这里，它是一种副产品，”蒋解释说，所以它基本上是免费的，可以不增加任何成本地产生环境效益。

重要的是，他表示，这种新型燃料电池本质上比许多其他电池更安全。钠金属反应性极强，必须得到妥善保护。与锂电池一样，钠如果暴露在潮湿环境中会自燃。“每当你拥有一款能量密度极高的电池时，安全性始终是一个问题，因为如果分隔两种反应物的膜破裂，就可能导致反应失控，”蒋说。但在这种燃料电池中，一侧完全是空气，“空气稀薄且有限。因此，你不会看到两种高浓度的反应物紧挨着。如果你追求极高的能量密度，出于安全考虑，你宁愿选择燃料电池而不是普通电池。”

虽然该装置目前还只是一个小型的单细胞原型，但蒋表示，该系统应该很容易扩大到实用尺寸，实现商业化。研究团队成员已经成立了一家名为Propel Aero的公司来开发这项技术。该公司目前位于麻省理工学院的初创企业孵化器“ The Engine”内。

图为一小瓶熔融的金属钠。图片来源：Gretchen Ertl

生产足够的金属钠，使这项技术在全球范围内广泛应用应该是切实可行的，因为这种材料以前也曾大规模生产过。在含铅汽油被淘汰之前，金属钠曾被用来制造添加剂四乙基铅，而美国当时的产能为每年20万吨。“这提醒我们，金属钠也曾被大规模生产，并在美国各地安全地处理和运输，”蒋说。

此外，钠主要来源于氯化钠或盐，因此它储量丰富，广泛分布于世界各地，而且易于提取，这与当今电动汽车电池中使用的锂和其他材料不同。

他们设想的系统将使用一个可再填充的钠盒，里面装满液态钠金属并密封。钠金属耗尽后，将被送回加注站，重新注入新的钠。钠的熔点为98摄氏度，略低于水的沸点，因此很容易加热到熔点来给钠盒加注钠。

最初的计划是生产一个砖块大小的燃料电池，可提供约1000瓦时的电能，足以驱动一架大型无人机，以验证该概念的实际应用，例如可用于农业。该团队希望在明年内完成这样的演示。

菅野在其博士论文中完成了大量的实验工作，现在将在这家初创公司工作。她表示，一个关键的发现是水分在此过程中的重要性。她先用纯氧，然后用空气测试该装置，发现空气中的湿度对于提高电化学反应效率至关重要。潮湿的空气导致钠以液态而非固态的形式产生放电产物，这使得这些产物更容易通过系统中的气流去除。“关键在于，我们可以形成这种液态放电产物，并且可以轻松地将其去除，这与干燥条件下形成的固态放电截然不同，”她说道。

甘蒂-阿格拉瓦尔指出，该团队汲取了多个工程子领域的知识。例如，目前已有大量关于高温钠的研究，但尚未开发出可控湿度的系统。“我们在电极设计方面借鉴了燃料电池的研究成果，也借鉴了较老的高温电池研究以及一些新兴的钠空气电池研究，并将它们融合在一起，”他表示，这最终使团队实现了“性能的大幅提升”。

编译自/ScitechDaily