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液流电池最终能击败锂电池吗？
纳米粒子或许能够提升能源密度，足以驱动电动汽车。
驱动着电动汽车去母亲家的Monique注意到电池表示该补充能源了。她在充电站停车，用信用卡在泵装机刷卡，将加油嘴插入汽车，5分钟内就可以用新鲜的纳米流体替换掉400升消耗殆尽的旧流体。当她等待的时候，一辆槽罐车拉来几千升充好电的流体进行站点补给。Monique关闭电动车的加油口，驾驶上高速公路，可以行驶640千米(400英里)。
她的电动车使用的是一种流体电池变种，这种设计是直接替换掉消耗的电解质而非重新充电。流体电池安全、稳定、持久，并且容易补充，这些特性使其非常适合平衡电网、提供不间断电力以及作为电力来源的备份。
这种电池使用一种全新的流体，称为纳米电解质。与同等体积的传统流体电池相比，它所能储存的能源要多15至25倍，这使得电池系统体积足够小，可以被用在电动汽车上，并且足够密集的能源可以提供燃油车所能提供的行驶范围以及快速补给。这是美国国防高级研究项目局(DARPA)战略技术办公室正在推进的一个项目的预期民用衍生产品，他们希望到2030年在所有电动供应车辆、到2050年在所有电动战术车辆中都应用这项技术。
使用基于锂的电池会带来它自身的一系列问题。你需要一种充电基础设施，对于美军来说意味着需要在常常是严酷的环境下部署这种基础设施。接下来就有充电时间长、热失控，也就是起火的风险，锂电池相对较短的使用寿命，以及获得电池材料和旧电池废品回收时的困难。一个可以缓解这些问题的电池就是DARPA的目标。如果新型流体电池最后成功了，对交通电气化的利益将会巨大。这种电池安全且寿命长。
纳米电解质电池是对还原-氧化(redox)流体电池的一个新的尝试，这个设想在近一个半世纪前首次提出。这个设计在20世纪中叶重新被使用，并且为可能在月球基地的使用进行了开发，再然后就是进一步改良以用于电网存储。
流体电池的电池芯使用了两种含有离子的化学溶液，一种作为阳极液(靠近阳极)，另一种作为阴极液(接近阴极)。两种溶液间的电化学反应推动电子通过一个电路运行。典型的还原-氧化流体电池使用基于铁铬或钒化学的离子；后者利用了钒的四种离子态。
在反应的化学层面，每种溶液都会不断地被泵送进电池芯的不同侧面。离子通过一个膜从一种溶液传至另一种，这个膜让这两种溶液保持分离。在电学方面，电流从一个电极流向外部电路，然后返回另一个电极。电池可以通过两种方式进行充电：两种溶液可以通过一个反向的电流在原地进行充电，这与传统电池的充电方式一样，或者就是用已经充好电的溶液替换掉消耗的溶液。
流体电池在性能和安全性上都超过了锂电池，并且也更容易进行扩大化：如果你想存储更多的能源，只需要增大储存溶液的罐体尺寸或提高溶液的浓度。如果你想提供更多的能源，只需要在一个叠加更多的电池芯或添加更多的新电池组。
Volta能源科技公司的技术主管Kara Rodby说，这种可扩规模性使得流体电池适用于需求高达100兆瓦的应用。一个例子，她说，就是在电力网格中平衡能源流的任务。
然而，传统流体电池对于给定的体积和质量能储存的能源非常少。他们的能源密度只有锂离子电池的10%。Rodby解释说，这是因为涉及到水溶液能够含有的材料的数量。“你只能在一杯水中溶解这么多的盐。”
因此，流体电池因为体积过大而迄今为止还没有在大多数应用中被使用。要将它们缩小到能装入电动汽车，你需要将其能源密度提高到锂离子电池的水平。
使用纳米流体是增加流体电池容量的一个好办法，这种流体中悬浮着纳米粒子。这些粒子在电极表面进行还原-氧化反应，这与传统流体电池中溶解离子的反应方式类似，但是纳米流体更加密集着能源。更重要的是，这些纳米流体被设计成可以无限期地悬浮，不像其它悬浮物对会沉淀——例如，水中的沙子。这种无限期的悬浮帮助粒子在系统中移动并和电极接触。粒子在液体重量中可占到80%，但是它的粘度却和机油一样。
第一次有研究者在2009年研究了水基电解质中的纳米流体，来自阿贡国家实验室和伊利诺伊理工学院的研究者。科学家们发现纳米流体可以用于一个接近锂离子电池能源潜力的系统，同时具有流体电池的可充能性。更重要的是，这种纳米尺度的粒子可以由容易得到的、便宜的矿石制成，例如用铁氧体和伽马氧化锰作为阳极和阴极材料。
此外，由于纳米电解质是水性悬浮液，它并不会因为过热而燃烧，因为水的闪点高达100度。在大多数情况下，你可以将电池任何部分的热量通过水蒸散掉——这就是为什么水被用来在核反应堆中冷却燃料棒。
尽管早期的实验性纳米电解质电池只能达到锂离子电池约20%的能源密度，这却已经足够挑战一些传统流体电池的应用——比如长时间运行的电力备用系统。
最近，美国能源部的证明性研究造出了一种新型纳米电解质电池，其能源密度达到了传统流体电池的15倍，可以与盒装电池相媲美，同时还保持了长寿命和安全性。
这一新型纳米电解质电池使用由锰造成的纳米颗粒和通过蓝铜(一种硫酸盐矿石)制造的铜离子干扰物。在阳极方面，锰会在蓝铜表面造成阳极活性层，在负极方面，则有硫酸盐部分构成。可以用水清洗干净的锰闪烁体(一种硫酸盐矿石)也用于反应。
这种新型纳米电解质电池属于独特的AB4类型电池。这类电池的一个例子就是钙锂铁氧化物。它们工作原理类似于镍氢电池和镍锂电池的蓄电电池。阳极会通过还原反应吸附氢(分别是从氧化物和水中取得)，在阳极内部形成一个活性的阳极层。然后，在阴极，通过四个氧化反应释放出氢。
研究者们还能通过“混混而治之”的方法来改进纳米流体电池。德克萨斯A&M大学的化学工程教授Professor Cho和他的团队发现，他们可以将水溶性离子，如锂、钠、钾、铷施加到电解质溶液中以增加其导电性和离子交换能力。这就是说，你可以在增加零件数量的同时增加部件的活性。Cho的团队还发现，纳米粒子越小，效果越好，因为它们增加了活性表面的面积。
事实上，学者们发现，纳米流体电池可以提供比传统流体电池更高的能量密度和功率密度。因此，未来的流体电池可能会是纳米流体电池。
然而，虽然研究者们的实验结果合理且独特，流体电池终究还需要大规模生产。与电阻、电容和电感一样，流体电池需要通过铜线和电解质联接以形成电路。“这个问题无法仅靠两级放大或增加更多的电池组解决。”Rao说。
Argonne的分析化学家和流体电池团队的成员Kevin Jost对此有所疑虑。他说，“在设计和养护上，流体电池需要一些额外的工作。水电池需要一种非常特殊的且贵重的膜。而且，水我们一用就完。我们需要一个像油罐车一样的补给系统。而且我们需要一个大型的泵或风扇来调整冷却系统。”Jost认为，这可能需要的时间多于人们预期，并且需要其他领域的科技突破才能实现。
然而，DARPA的纳米电解质项目似乎正在为这个问题找到答案。新型纳米电解质电池很可能要依赖于微机电系统技术来实现这个需求。“这种无器件的实现，可能在未来十年内出现。” Rao说。
那么，这对锂离子电池来说是好消息还是坏消息呢？目前看来，纳米流体电池并不会完全取代锂电池，至少在未来十年内是这样。许多专家认为，两种技术将在不同的应用中各展所长。
一方面，纳米流体电池的优势在于它们的长寿命、快速补充能源和高能量密度。这些特性使得它在电力网调度和大型车辆中非常有用。
本文译自 IEEE Spectrum，由 BALI 编辑发布。