一、大背景

　　金属空气电池是一种通过金属与氧气之间的电化学反应来储存和释放能量的电池系统。其核心特点是使用金属(如锌、铝、锂、镁等)作为负极，空气中的氧气作为正极活性物质，具有能量密度高、成本低、环境友好等优势，被认为是下一代储能技术的重要候选之一。

　　金属空气电池长期面临的关键技术挑战在于反应可逆性——电池化学反应必须能够双向进行：放电时通过正向反应发电，充电时通过逆向反应储能。若电池反应生成过于稳定的产物，将导致充电容量衰减。

　　二、研究突破

　　为了解决该问题，由MIT研究团队(蒋业明(Yet-Ming Chiang)带领)开始探索是否可采用“燃料可补充”方案替代传统充电模式：即不依赖逆向反应，而是通过单向运行后补充初始反应物实现循环。其参与创办的 Form Energy 公司正在为大型储能装置(例如用于将风能和太阳能储存在电网中的装置)研制铁空气电池。Form Energy 的电池依靠水、铁和空气作为能源。

　　最终，他们成功开发了一种以液态金属钠为燃料的新型燃料电池——虽然与电池类似，但可以通过快速补充燃料而非充电来恢复能量。相关成果发表在 Joule 期刊。

　　据悉，钠是一种价格低廉且供应广泛的材料;这种新型电池的另一侧是普通空气，作为氧原子的来源;中间是一层固体陶瓷材料充当电解质，允许钠离子自由通过，而多孔的空气电极则帮助钠与氧发生化学反应并产生电能。

　　该团队开发了两种实验室规模的原型原型。

　　1、称为 H 型电池，两个垂直玻璃管通过中间装有固态陶瓷电解质和多孔空气电极的管道连接，一侧充满液态金属钠，另一侧通入空气提供氧气，中心发生电化学反应逐渐消耗钠燃料;

　　2、水平设计使用托盘状电解质容器盛放液态钠燃料，促进反应的多孔空气电极固定在托盘底部。

　　而且，在对原型设备进行的一系列实验中，研究人员证明，这种电池的单位重量储能量是目前几乎所有电动汽车使用的锂离子电池的 3 倍以上。根据这些实验设备的研究，研究人员估算出其能量密度约为 1200 Wh/kg，远高于目前商用锂离子电池的水平(约 300 Wh/kg)。

　　三、未来运用

　　钠空气燃料电池的能量密度高于锂离子电池，而且不像氢燃料电池那样需要极低的温度或高压，因此在运输方面更具实用性。“我对钠金属作为未来能源载体很感兴趣。”蒋业明说道。他指出，这项技术确实具有革命性潜力。特别是在航空领域，重量因素至关重要，这种能量密度的提升可能最终使大规模电动飞行成为现实。该技术还可能推动海运和铁路运输等其他领域的发展。

　　MIT研究人员设想，在飞机应用时可将包含多个电堆的燃料包(类似餐厅餐盘架)插入燃料电池系统，随着电力输出，燃料包内的金属钠发生化学转化。反应副产物会持续排出，在航空应用中这些物质将从飞机尾部排出，类似于喷气发动机的尾气。

　　而且，不会产生二氧化碳排放。排放物氧化钠实际上会吸收大气中的二氧化碳，迅速与空气中的水分结合生成氢氧化钠(常用作排水管清洁剂)，继而与二氧化碳形成固体碳酸钠，最终变成碳酸氢钠(小苏打)。即使最终产物碳酸氢钠进入海洋，它也可以帮助海水降低酸度，抵消温室气体的影响。

　　重要的是，这种新型燃料电池本质上比许多其他电池更安全。虽然金属钠极具活性，需严格防护(与锂电池类似，遇湿会自燃)，但在燃料电池中，一侧只是空气，浓度低且有限，因此不存在两种高浓度反应物直接接触的情况。追求超高能量密度时，出于安全考虑燃料电池比电池更具优势。

　　团队下一步计划继续研究如何提升电池的性能和能量密度，并开始设计小型系统。初期计划生产砖块大小的燃料电池，提供约 1000 瓦时能量(足以驱动大型无人机)，旨在通过农业等实际应用验证概念。“我们希望在明年内制造出可以飞行的东西。”蒋业明说道。

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