助听器中使用的电池可能是可再生能源未来的关键

如果必要性是发明之母，那么潜在利润必须是父亲。这两项激励措施都在推动将锌电池从通常用于助听器的小型一次性电池转变为可连接到电网的可充电庞然大物，在夜间或风平静时储存太阳能或风能。马里兰大学帕克分校的电池专家王春生说，随着初创公司的激增和实验室研究的不断深入，“锌电池是一个非常热门的领域”。

锂离子电池——电动汽车中的巨大版本——是目前存储可再生能源的领跑者，但它们的组件可能很昂贵。锌电池在钱包和地球上更容易使用——实验室实验现在指出了解决其主要缺点的方法：它们几十年来不能一遍又一遍地充电。

随着越来越多的太阳能、风能和其他可再生能源上线，对电网规模电池存储的需求也在增长。今年，乔·拜登总统承诺到 2035 年使美国电网实现零碳排放。为了平衡供应的下降，大部分可再生能源将不得不储存数小时或数天，然后再反馈到电网中。仅在加利福尼亚州，公共事业委员会就设想到 2026 年部署超过 8800 兆瓦的可充电电池，上周，加利福尼亚州州长加文纽瑟姆提议提供 3.5 亿美元的州资金来开发长期储能技术。“这种趋势不会下降。它只会继续增长，”锌电池生产商 Zinc8 Energy Solutions 业务发展副总裁 Mark Ba​​ggio 说。

对于电力存储，“锂离子电池就像重达 800 磅的大猩猩，”锌电池初创公司 EnZinc 的首席执行官迈克尔·伯兹 (Michael Burz) 说。但锂是一种相对稀有的金属，仅在少数几个国家开采，它太稀缺且太昂贵，无法支持世界的公用电网。(汽车制造商也需要电动汽车。)锂离子电池通常也使用易燃液体电解质。这意味着兆瓦级电池必须具有昂贵的冷却和灭火技术。“我们需要锂的替代品，”海军研究实验室 (NRL) 高级电化学材料研究负责人黛布拉·罗里森 (Debra Rolison) 说。

输入锌，一种银色、无毒、廉价、丰富的金属。不可充电的锌电池已经投放市场数十年了。最近，一些锌可充电电池也已商业化，但它们的储能容量往往有限。另一项技术——锌液流电池——也在取得进展。但它需要更复杂的阀门、泵和罐才能运行。因此，研究人员现在正在努力改进另一种锌空气电池。

在这些电池中，掺有氢氧化钾或其他碱性材料的水基电解质将锌阳极和由其他导电材料(通常是多孔碳)制成的阴极分开。在放电过程中，空气中的氧气在阴极与水反应形成氢氧根离子，氢氧根离子迁移到阳极，在那里它们与锌反应最终生成氧化锌。该反应释放通过外部电路从阳极流向阴极的电子。给电池充电意味着逆转电流流动，导致锌金属在阳极上重新形成。

但锌电池不喜欢反向运行。阳极表面的不规则性导致某些点的电场增强，从而导致锌沉积在那里，进一步增强了电场。随着循环的重复，称为树突的微小尖峰生长，最终使电池穿孔和短路。同样麻烦的是，电解液中的水会在阳极发生反应，分解成氧气和氢气，从而使电池破裂。

研究人员已经开始处理这些不利因素，每年产生近 1000 篇论文。例如，2017 年，Rolison 及其同事在《科学》杂志上报道称，他们将阳极重新设计为带有微小空隙的锌金属 3D 网络。电极的巨大表面积降低了局部电场，从而防止了枝晶的形成并降低了水分子分裂的可能性。NRL 将该技术授权给 EnZinc。

本月，Wang 和他的同事在Nature Nanotechnology上报告说，当他们在电解液中加入含氟盐时，它会与锌反应，在阳极周围形成固体氟化锌屏障。在充电和放电过程中，离子仍然可以蠕动通过。但是，屏障阻止了树枝状晶体的生长和排斥，阻止了它们到达阳极。

“这是一个伟大的发展，”太平洋西北国家实验室储能材料计划的负责人 Wei Wang 说。尽管如此，王春生注意到他的设备放电有点慢。为了改善这一点，他的团队希望在阴极添加催化剂以加速氧气和水之间的反应。

汉阳大学的 Jung-Ho Lee 领导的研究人员在工作中采用了相同的策略。在4 月 12 日的《自然能源》杂志上，他们报道了用铜、磷和硫的混合物制造出一种纤维状导电阴极，该阴极也用作催化剂，显着加速了氧气与水的反应。这一技术和其他进步生产的电池可以快速充电和放电，并且具有高容量，每公斤 460 瓦时(相比之下，带有氧化锰阴极的标准锌电池约为 75 Wh/kg，而按比例放大的锂电池为 120 Wh/kg -离子系统)。电池在数千次充电和放电循环中是稳定的。结果“看起来又是一个重要的步骤，”王春生说。

这些进步为可充电锌-空气电池有朝一日能够取代锂离子注入了新的希望。由于其材料成本低，网格规模的锌空气电池每千瓦时的成本为100美元，不到当今最便宜的锂离子电池成本的一半。“这里有很多希望，”Burz 说。但是研究人员仍然需要将他们的生产规模从小型纽扣电池和手机大小的袋子扩大到集装箱大小的系统，同时保持其性能，这一过程可能需要数年时间。Burz 还指出，电力公司和其他希望购买廉价大型电池的公司希望先看到多年的稳定运营。“这些客户需要看到它在真实环境中的效果，”他说。