在莫妮卡駕駛電動(dòng)汽車前往母親家的路上，電池電量顯示該充電了。她在一個(gè)充電站停下來(lái)，在泵上刷了一下信用卡，然后將管口插入汽車，用了5分鐘的時(shí)間，將400升已耗盡電量的納米流體換成新的液體。在她等待的時(shí)候，一輛罐車停了下來(lái)給充電站補(bǔ)充燃料，用數(shù)萬(wàn)升已充電燃料替換電量已耗盡的燃料。莫妮卡關(guān)閉電動(dòng)汽車燃料補(bǔ)給口，開車上了高速公路，現(xiàn)在，她的電動(dòng)汽車儲(chǔ)存的能量足以行駛640公里。

她的電動(dòng)汽車使用的是一種液流電池，這種設(shè)計(jì)可以快速更換電量耗盡的電解質(zhì)或者直接給電池充電，不過(guò)后者需要較長(zhǎng)的時(shí)間。液流電池具有安全、穩(wěn)定、耐用且易于再加注的特性，非常適合用于平衡電網(wǎng)、提供不間斷電源和備用電源。

不過(guò)，這種電池使用的是一種被稱為“納米電燃料”的全新液體。與同等大小的傳統(tǒng)液流電池相比，它可以存儲(chǔ)的能量要高15至25倍，電池系統(tǒng)可以小到用于電動(dòng)汽車，同時(shí)能量密度足以提供汽油動(dòng)力車的續(xù)航里程，實(shí)現(xiàn)快速燃料再加注。這是美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）戰(zhàn)略技術(shù)辦公室正在進(jìn)行的一個(gè)項(xiàng)目，旨在努力推動(dòng)軍方在2030年前裝備全電動(dòng)補(bǔ)給車和在2050年前裝備電動(dòng)戰(zhàn)術(shù)車，并預(yù)期衍生為民用項(xiàng)目。

在軍事行動(dòng)中使用鋰電池會(huì)產(chǎn)生一系列問(wèn)題：需要充電基礎(chǔ)設(shè)施，這對(duì)于美國(guó)軍方來(lái)說(shuō)意味著要在通常不適宜居住的地方部署充電基礎(chǔ)設(shè)施；充電時(shí)間長(zhǎng)；存在熱失控的危險(xiǎn)，可能引發(fā)火災(zāi)；鋰電池的工作壽命相對(duì)較短；獲取電池材料較為困難；當(dāng)舊電池不再好用時(shí)，不易回收。能緩解這些問(wèn)題的電池是DARPA的目標(biāo)。新的液流電池似乎符合每一項(xiàng)要求。如果可行，對(duì)交通電氣化的好處將是巨大的。

納米電燃料電池是一種新形式的氧化還原液流電池。這種設(shè)計(jì)于近一個(gè)半世紀(jì)前首次提出，在20世紀(jì)中期恢復(fù)了活力，被用于建造月球基地，然后又進(jìn)一步改進(jìn)用于電網(wǎng)儲(chǔ)能。

液流電池的電芯使用了兩種含離子化學(xué)溶液，一種用作陽(yáng)極液（靠近陽(yáng)極），另一種用作陰極液（靠近陰極）。兩種溶液之間的電化學(xué)反應(yīng)推動(dòng)電子流過(guò)電路。一般的氧化還原液流電池使用基于鐵鉻或釩離子的化學(xué)物質(zhì)，其中基于釩離子的化學(xué)物質(zhì)利用了4種不同的釩離子狀態(tài)。

橙色容器是一個(gè)用于合成納米電燃料液流電池陽(yáng)極的反應(yīng)容器。

從反應(yīng)的化學(xué)方面來(lái)說(shuō)，兩種溶液被連續(xù)泵入電池電芯分隔的兩邊。隔膜將兩種溶液隔開，離子透過(guò)隔膜從一種溶液進(jìn)入另一種溶液。從電流角度來(lái)說(shuō)，電流從一個(gè)電極進(jìn)入外部電路，轉(zhuǎn)一圈，然后返回到相反的電極。電池可以通過(guò)兩種方式充電：一種是像傳統(tǒng)電池那樣，通過(guò)反向電流給兩種溶液充電，另一種是用充滿電的溶液替換耗盡電的溶液。

除了在性能和安全性上優(yōu)于鋰電池外，液流電池也更容易擴(kuò)展：如果想儲(chǔ)存更多能量，只需增加溶液儲(chǔ)存罐的大小或提高溶液的濃度；如果想提供更多電力，只需堆疊更多的電池芯或增添新的電池堆。

伊利諾伊州內(nèi)珀維爾Volta能源技術(shù)公司的技術(shù)負(fù)責(zé)人、液流電池專家卡拉?羅德比（Kara Rodby）表示，這種可擴(kuò)展性使液流電池適用于高達(dá)100兆瓦的應(yīng)用，例如平衡電網(wǎng)中的能量流動(dòng)。

這臺(tái)小型演示系統(tǒng)中的玩具吉普車有一塊納米電燃料電池，Influit Energy公司的一名技術(shù)人員正在遠(yuǎn)程控制它。電池芯(右上)展示了燃料的兩個(gè)容器。正在測(cè)試的單電芯(左下)除了前面板外，沒(méi)有任何封裝。電池芯排列組裝成大功率的電池(右下)。

然而，在給定的體積和質(zhì)量下，傳統(tǒng)液流電池只能儲(chǔ)存很少的能量，其能量密度只有鋰離子電池的10%。羅德比解釋道，這與水溶液能容納的物質(zhì)數(shù)量有關(guān)。一杯水只能溶解一定量的鹽。

因此，到目前為止，液流電池對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)都過(guò)于龐大。為了將它們縮小到足以安裝在電動(dòng)汽車上，需要將它們的能量密度提高到鋰離子電池的水平。

增加液流電池容量的一個(gè)好方法是用納米流體，它可以將納米粒子保持在懸浮狀態(tài)。這些粒子與傳統(tǒng)液流電池中溶解的離子一樣，在電極表面進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，但納米流體的能量密度更高。重要的是，與其他懸浮體（例如水中的沙子）不同，納米流體被設(shè)計(jì)成可無(wú)限期保持懸浮狀態(tài)。這種無(wú)限期懸浮有助于粒子在系統(tǒng)中移動(dòng)并與電極接觸。這些粒子可以占到液體重量的80%，卻不會(huì)像機(jī)油那么粘稠。

針對(duì)這一應(yīng)用，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和伊利諾伊理工學(xué)院的研究人員于2009年首次研究了在水基電解質(zhì)中懸浮的納米流體。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這種納米流體電池系統(tǒng)的儲(chǔ)能潛力接近鋰離子電池，并且液流電池還可以用泵充電。此外，可以用易于獲得的廉價(jià)礦物制造納米顆粒，例如可分別用氧化鐵和γ晶型二氧化錳制作陽(yáng)極和陰極。

此外，由于納米電燃料（NEF）是一種水懸浮液，所以它不會(huì)著火或爆炸，如果電池泄漏，這種材料也沒(méi)有危害性。這種電池具有-40℃至80℃的超寬工作范圍。

2013年，該團(tuán)隊(duì)獲得了美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃局（ARPA-E）為期3年、共計(jì)344萬(wàn)美元的資助，用于制造1千瓦時(shí)的納米電燃料電池原型。原型研發(fā)的成功促使幾名主要研究人員從團(tuán)隊(duì)中剝離出來(lái)，成立了Influit Energy公司，將該技術(shù)商業(yè)化。通過(guò)額外的政府合同，這家初創(chuàng)公司繼續(xù)改進(jìn)各個(gè)組件，包括納米電燃料本身、電池架構(gòu)以及充電和運(yùn)送系統(tǒng)。

Influit Energy公司的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官約翰?卡蘇達(dá)斯（John Katsoudas）強(qiáng)調(diào)了其公司設(shè)計(jì)的電池與傳統(tǒng)液流電池的區(qū)別?！拔覀兊男路f之處在于，雖然做的是別人已經(jīng)（對(duì)液流電池）做過(guò)的事情，但我們用的是納米流體?！彼f(shuō)。

卡蘇達(dá)斯補(bǔ)充說(shuō)，隨著基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的解決，Influit Energy公司正在開發(fā)一種額定能量密度為550至850瓦時(shí)/公斤或更高的電池，而標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車鋰離子電池的能量密度為200至350瓦時(shí)/公斤。該公司預(yù)計(jì)，更大型號(hào)的電池在支持電網(wǎng)方面也將超越老式液流電池，因?yàn)榧{米電燃料可以重復(fù)使用的次數(shù)不低于與液流電池（循環(huán)1萬(wàn)次及以上），而且可能更便宜。

他說(shuō)，這種燃料將根據(jù)需要生產(chǎn)，最終達(dá)到取代化石燃料的規(guī)模。這種燃料可以像今天的汽油一樣通過(guò)油罐車或升級(jí)現(xiàn)有的管道運(yùn)輸?shù)窖a(bǔ)給站。補(bǔ)給站中已用完的燃料可以用任何來(lái)源的電力進(jìn)行再充電，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、水電、核能，以及化石燃料。充電也可以在服務(wù)站或電動(dòng)汽車上進(jìn)行。在后一種情況下，充電方式與今天的電池電動(dòng)汽車一樣。

納米粒子大大增加了液流電池燃料的能量密度，可適用于電動(dòng)汽車。

如果發(fā)生油罐車事故或管道破裂怎么辦？

“納米電燃料會(huì)變成一種漿糊狀物質(zhì)，把它掃起來(lái)即可?！笨ㄌK達(dá)斯解釋道。他又補(bǔ)充說(shuō)，如果不想等它變干，可以加入更多的水來(lái)降低酸性，“然后打掃一下就可以了”。

你不會(huì)想把那些東西扔掉?！笆占饋?lái)的東西是電池中最有價(jià)值的部分?！彼f(shuō)，“很容易將活性材料加工成可以重復(fù)使用的新納米流體?！?/p>

這種帶電的液體混合物有哪些風(fēng)險(xiǎn)呢？卡蘇達(dá)斯表示，Influit Energy公司已經(jīng)證明，將陽(yáng)極液和陰極液直接混合造成的安全隱患非常小。下一代納米電燃料材料將使用相同的液體，可以將風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

從各方面來(lái)看，納米電燃料液流電池似乎比鋰離子電池更適合電動(dòng)汽車和更大的系統(tǒng)。Influit Energy公司預(yù)計(jì)，目前這一代納米電燃料，加上圍繞它打造的整個(gè)燃料生產(chǎn)、分銷和回收生態(tài)系統(tǒng)，在電動(dòng)汽車上應(yīng)用的成本約為130美元/千瓦時(shí)；相比之下，鋰離子電池的成本約為138美元/千瓦時(shí)。誠(chéng)然，鋰離子電池的成本將在幾年內(nèi)降至100美元/千瓦時(shí)以下，但I(xiàn)nfluit Energy公司預(yù)計(jì)其下一代納米電燃料液流電池也將進(jìn)一步下降至50至80美元/千瓦時(shí)左右。下一代系統(tǒng)的能量密度應(yīng)該是目前鋰離子系統(tǒng)的5倍。

下面，我們將介紹一下這對(duì)電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)意味著什么。

目前，普通的電動(dòng)汽車電池的體積與400升納米電燃料液流電池差不多。如果納米粒子占燃料重量的30%，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程將只有105公里；將這一比例提高到40%，續(xù)航里程將攀升至274公里；達(dá)到50%時(shí)，它可以行駛362公里；達(dá)到80%時(shí)，為724公里。這些結(jié)論都是在液流電池儲(chǔ)存罐的大小保持不變的假設(shè)下得出的。

DARPA戰(zhàn)略技術(shù)辦公室的項(xiàng)目經(jīng)理亞倫?科福德（Aaron Kofford）說(shuō)，Influit Energy公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了50%的目標(biāo)，并演示了納米電燃料達(dá)到80%的情況。

科福德表示，對(duì)于軍方來(lái)說(shuō)，納米電燃料電池比鋰離子電池和內(nèi)燃機(jī)具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。在軍用作戰(zhàn)車輛中，保護(hù)車輛的化石燃料箱至關(guān)重要，但這種額外的保護(hù)會(huì)增加很多重量，要求車輛具有更重的懸架；而增加的重量又會(huì)減少續(xù)航里程和有效載荷。鋰離子電池本身很重，容易起火，為了防止被炮彈擊中，需要更重的外殼防護(hù)。

相比之下，納米電燃料電池具有耐火性，因此重量和安全問(wèn)題大大減少。科福德說(shuō)：“在系統(tǒng)層面，如果我們能夠采用一種安全的化學(xué)物質(zhì)，就不需要在電池中使用太多的內(nèi)部封裝?！彼a(bǔ)充道，它們不會(huì)散發(fā)出太多熱量，因此很難從遠(yuǎn)處觀測(cè)到。

與此同時(shí)，民用納米電燃料液流電池也很誘人，尤其是在航空領(lǐng)域。美國(guó)國(guó)家航空航天局高級(jí)空中機(jī)動(dòng)首席戰(zhàn)略家斯塔爾?吉恩（Starr Ginn）表示，降低電動(dòng)飛機(jī)防火安全系統(tǒng)的要求也是一個(gè)亮點(diǎn)。

吉恩說(shuō)，有了納米電燃料，“就不再需要高功率電纜，也沒(méi)有電磁干擾問(wèn)題?！奔{米電燃料“在不斷地減少對(duì)制造電動(dòng)飛機(jī)帶來(lái)困難的因素”。

同樣，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)型能力辦公室正在評(píng)估納米電燃料在戰(zhàn)斗行動(dòng)中的作用。Influit Energy還與一家商業(yè)伙伴合作，在其系列供電車中試點(diǎn)納米電燃料電池。如果納米電燃料真的被證明那么好，那它對(duì)國(guó)家安全的影響可能是巨大的，可以減少對(duì)進(jìn)口電動(dòng)汽車用稀有金屬和化石燃料的依賴。

要發(fā)揮納米電燃料液流電池的潛力，還需要做大量工作。Influit Energy公司及其負(fù)責(zé)與政府對(duì)接的部門預(yù)計(jì)，還需要兩年時(shí)間才能將閉環(huán)系統(tǒng)的所有部分整合在一起，證明該技術(shù)在各種應(yīng)用中的價(jià)值和可擴(kuò)展性。卡蘇達(dá)斯說(shuō)，到2025年或2026年，全世界都將準(zhǔn)備好認(rèn)真研究納米電燃料液流電池，用于零排放汽車、備用電網(wǎng)、供電車等。

這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展可能會(huì)面臨兩個(gè)障礙：市場(chǎng)力量和競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。

鋰離子電池是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，擁有成熟的市場(chǎng)。人們?cè)诟鞣N鋰電池的開發(fā)和改進(jìn)過(guò)程中投入了數(shù)千億美元，政府承擔(dān)了其中大部分投資。例如，美國(guó)DARPA、能源部和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)正在與多家公司合作克服鋰電池的局限性。歐盟、韓國(guó)和其他地方的政府研究機(jī)構(gòu)也在資助類似的研究。要超越鋰電技術(shù)，Influit Energy公司需要說(shuō)服財(cái)力極其雄厚的人（可能是自己的后勤供應(yīng)鏈或電動(dòng)汽車制造商）幫助其擴(kuò)大規(guī)模。

然后是技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。幾乎每天都有關(guān)于鋰離子電池新進(jìn)展的消息。中國(guó)科學(xué)院的研究人員在一份報(bào)告中提出了一種711瓦時(shí)/公斤的鋰離子電池。一家中國(guó)制造商聲稱，新型磷酸錳鐵鋰電池可使電動(dòng)汽車單次充電行駛1000公里，且使用壽命達(dá)130年。還有一些成果涉及鋰電池快速充電和在軍用車輛使用安全性方面的重大改進(jìn)與提高。

此外，還有非鋰基的新型電池化學(xué)物質(zhì)，例如鈉離子和石墨烯電池。同時(shí)，使用液態(tài)金屬技術(shù)的電網(wǎng)級(jí)電池，以及使用鋰硫改進(jìn)傳統(tǒng)液流電池的技術(shù)也取得了進(jìn)展。

Influit Energy公司的其他直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手還包括液態(tài)有機(jī)氫和電燃料（使用可再生電力資源捕獲二氧化碳和水生產(chǎn)的碳基和碳中性合成燃料）。這兩種燃料都旨在直接取代化石燃料。

Volta的羅德比說(shuō)，Influit Energy公司為了爭(zhēng)取市場(chǎng)的認(rèn)可，需要闡明納米電燃料的“市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)”。目前看來(lái)這項(xiàng)技術(shù)非常適合美國(guó)國(guó)防部，而且后者可能愿意為此支付高額費(fèi)用。作為美國(guó)政府部門中最大的化石燃料用戶，僅國(guó)防部就可能使Influit Energy達(dá)到一定規(guī)模。

當(dāng)然，納米電燃料在船舶、火車或飛機(jī)等其他應(yīng)用場(chǎng)景也可找到用武之地。例如，大的集裝箱貨船運(yùn)載著約1500萬(wàn)升燃料。如果其中一部分是可以持續(xù)充電的納米電燃料，就可能減少貨船的碳足跡。

歷史上有很多非常卓越的技術(shù)，只因出現(xiàn)得太晚或太早而無(wú)法取代在位技術(shù)。納米電燃料液流電池似乎正在超越我們今天現(xiàn)有的技術(shù)，或許它會(huì)很幸運(yùn)。

作者：Robert N. Charette