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作者：周彧综合报道 来源： 发布时间：2018-4-10 12:51:41
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近年来，随着全球对清洁能源需求的高涨，被称为“推动世界前进的重要元素”的锂，成为充电与续航领域的“主咖”。
以较高的能量密度与较彻底的充放电深度为优势的锂离子电池，是目前移动端使用的最靠谱的电池。在手机、电脑、电动汽车等绝大多数需要用到充电电池的场景中，人们都可以看到锂电子电池的身影。
统计数据显示，世界锂电池市场正以每年15%的高速度增长。而在锂电池产量不断冲向新高的同时，对于生产锂电池电极的原材料的需求量也大幅攀升。目前，全球每年的锂需求约达到17万吨碳酸锂等量。
为了满足现有的锂电池生产需求，全世界范围内各个锂矿场的产能都已被逼到了极限。而且，加速开采还会让这种有限的矿产资源提前消耗殆尽。因此，对于锂离子电池而言，其可能面临一个大多数商品都不会面临的挑战：产量的提升不但无法使价格下降，反而可能使其急剧升高。
为了解决这个问题，科学家们开始另辟蹊径，试图寻找全新的解决方案。近日，澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）的研究人员研发出了全球第一款可充电质子电池，向现有的锂电池技术发起了挑战。
另辟蹊径
随着世界向可再生能源迈进，人们对存储技术的需求也变得非常迫切，但目前这些技术却都依赖于相对稀有而昂贵的金属锂。
“锂离子电池非常棒，但它们依赖于最终稀缺且昂贵的资源。”皇家墨尔本理工大学首席研究员John Andrews坦言。
为此，科研人员将主攻方向放在了电池技术的原料上，试图在廉价而丰富的材料上做文章。
2014年，该研究小组提出了“质子流电池”这一全新概念。所谓质子流电池，是将可以储存电能的金属氢化物与可逆的质子交换膜（PEM）融合在一起的一种燃料电池。
据研究人员介绍，与一般的电池操作不同，质子流电池充电的过程，不包含将水分解成氢气和氧气并将氢气储存起来的过程。在这个概念系统中，电池分解水产生质子（氢离子），然后在燃料电池的一个电极上，将电子和金属颗粒结合起来。最终，能量以固态金属氢化物的形式被存储下来。而在反向的流程中，它又可以产生电（和水），并让质子与空气中的氧气结合起来（生成水）。
显然，与锂离子相比，质子电池要更加经济得多。基于质子流电池的概念，研究小组随后打造出了初级概念的可充电质子电池原型，并在最初的实验上取得了令人振奋的结果。
可充电 零排放
历经多年不懈的实验与探索，可充电质子电池终于得以揭开神秘面纱。尽管这只是个1.2V的小尺寸原型，然而其与生俱来的潜力却不可小觑。
首先，与锂离子电池相比，质子电池由碳材料组成电极，而碳材料在地球上极为丰富，成本较低；同时，其通过水解分子充电，而从水中获取质子十分容易。
其次，与其他充电电池一样，质子电池插入充电端口，电极中的碳与生成的质子结合，在电源的帮助下分解水；质子再次释放并通过可逆燃料返回，与空气中的氧形成水继而产生电。其整体性能十分强大，实验结果显示，5.5平方公分的质子电池活性内表面积便可储存与一般市售锂离子电池相当的能量，而且这还只是未被优化的原型。
再次，由于质子电池在充电过程中，由可逆燃料电池中的水分解产生的质子通过细胞膜传导，并借助于施加的电压提供的电子直接与存储材料结合，而不形成氢气，因此其在能量效率上可与锂离子电池相媲美。
最后，质子电池本身不会产生碳排放，可以储存来自零排放的可再生能源电力，对环境极其友好。
在Andrews看来，最新成果“向廉价、可持续的质子电池迈出了关键的一步，质子电池有助于满足人们未来对能源的需求，而且还不会破坏我们极为脆弱的环境”。
他认为，未来5~10年内质子电池将会投入市场。“当进入市场时，它将可能成为特斯拉Powerwall的竞争对手。我们希望它能在（位于南澳大利亚）特斯拉电池储能系统甚至更大的规模上获得应用。”
尽管取得了阶段性的突破，但研究小组还有很多工作需要跟进。“未来的工作将集中于通过使用诸如石墨烯等原子级薄层碳基材料进一步提高质子电池的性能和能量密度，旨在打造能与锂离子电池真正相媲美的质子电池。”Andrews对质子电池的前景充满信心。■
《科学新闻》 (科学新闻2018年3月刊 能源)
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