摘要：工程师开发了一个燃料电池，与锂离子电池相比，每磅能量的三倍以上。该设备由钠金属和空气之间的反应提供动力，可以轻巧，以实现飞机，卡车或船只的电气化。...
在给定重量的能力方面，电池正在接近限制。这是能源创新的严重障碍，也是寻找为飞机，火车和船舶提供动力的新方法。现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员提出了一种解决方案，可以帮助使这些运输系统电气化。
新概念不是电池，而是一种燃料电池 - 它类似于电池，但可以快速加油而不是充电。在这种情况下，燃料是液态钠金属，一种廉价且广泛可用的商品。细胞的另一侧只是普通空气，它是氧原子的来源。在中间，一层固体陶瓷材料用作电解质，使钠离子可以自由穿过，而朝向的多孔空气电极有助于钠与氧气反应并产生电能。
在针对原型设备的一系列实验中，研究人员证明，该单元的每单位重量能量可能是当今几乎所有电动汽车中使用的锂离子电池的三倍以上。他们的发现今天已发表在《杂志》上焦耳在麻省理工学院博士生Karen Sugano，Sunil Mair和Saahir Ganti-Gagrawal的论文中；材料科学与工程学教授还有其他五个。
Kyocera陶瓷教授Chiang说：“我们希望人们认为这是一个完全疯狂的主意。” “如果他们没有，我会感到有些失望，因为如果人们一开始不认为某事完全疯狂，那可能不会是革命性的。”
他建议，这项技术确实有可能变得革命性。特别是，对于重量特别至关重要的航空，能量密度的这种改善可能是最终使电力飞行在很大程度上实用的突破。
恰格说：“您真正需要的逼真的电气航空的门槛约为每公斤1,000瓦小时。”当今的电动汽车锂离子电池以每公斤约300瓦小时的速度上升 - 远不及需要的东西。他说，即使每公斤1,000瓦小时，也不足以实现跨大西洋或跨大西洋的飞行。
对于任何已知的电池化学反应，这仍然是无法实现的，但是Chiang表示，每公斤1,000瓦是区域电动航空的一种有利技术，该技术约占国内航班的80％，而从航空中占30％。
该技术也可能是其他部门的推动力，包括海洋和铁路运输。他说：“它们都需要非常高的能量密度，并且都需要低成本。” “这就是吸引我们进入钠金属的原因。”
在过去的三十年中，已经开发了锂空气或钠空气电池的大量研究，但是很难使它们完全可充电。 Chiang说：“人们已经意识到您很长一段时间以来使用金属空气电池可以获得的能量密度，而且非常有吸引力，但实际上从未实现过。”
通过使用相同的基本电化学概念，仅将其制成燃料电池而不是电池，研究人员就能以实用形式获得高能密度的优势。与电池组装一次并密封在容器中的电池不同，燃料电池携带能量式材料进出。
该团队制作了两个不同版本的实验室规模原型。在一个称为H细胞的一个中，两个垂直玻璃管由中间的管子连接，其中包含固体陶瓷电解质材料和多孔空气电极。液态钠金属在一侧填充管，空气流过另一侧，为中心的电化学反应提供氧气，最终逐渐消耗钠燃料。另一个原型采用水平设计，带有持有液体钠燃料的电解质材料。促进反应的多孔空气电极固定在托盘的底部。
Chiang说，使用经过精心控制的湿度水平的空气流进行测试，在单个“堆栈”的水平上，每公斤近1,700瓦小时的水平，该水平在整个系统级别将超过1,000瓦时转化为1,000瓦。
研究人员设想，将该系统在飞机中使用，燃料包包含成堆的细胞，例如自助餐厅中的食物托盘，将插入燃料电池中。这些包装中的钠金属在提供功率时会化学转化。放出了其化学副产品流，就飞机而言，这将被散发出来，这与喷气发动机的排气不同。
但是有很大的区别：不会有二氧化碳排放。取而代之的是，由氧化钠组成的排放实际上会从大气中吸收二氧化碳。该化合物将迅速与空气中的水分结合在一起，使氢氧化钠（一种通常用作排水清洁剂）很容易与二氧化碳结合形成固体材料，碳酸钠又形成碳酸氢钠，形成碳酸氢钠钠，又称碳酸氢钠，也称为小苏打。
Chiang说：“从钠金属开始时，就会发生这种自然的反应。” “这都是自发的。我们不必做任何事情来实现它，我们只需要驾驶飞机即可。”
为了额外的好处，如果最终产品（碳酸氢钠）最终到达海洋，则可以帮助脱水，以抵抗温室气体的另一种破坏性影响。
已经提出，使用氢氧化钠捕获二氧化碳作为减轻碳排放的一种方式，但本身并不是经济解决方案，因为该化合物太贵了。 Chiang解释说：“但是这是一个副产品。”因此，它是免费的，无需支付任何损失的环境收益。
他说，重要的是，新的燃料电池本质上比许多其他电池更安全。钠金属具有极具反应性，必须受到良好保护。与锂电池一样，如果暴露于水分，钠可能会自发点燃。 Chiang说：“每当您的能量密度很高时，安全总是一个问题，因为如果将两种反应物分开的膜破裂，您就可以产生失控的反应。”但是在这个燃料电池中，一侧只是空气，“它稀释且有限。因此，您没有两个集中的反应物彼此相邻。如果您要真正非常高的能量密度，那么您宁愿拥有一个燃料电池，而不是出于安全原因而进行电池。”
虽然该设备仅作为一个小型的单细胞原型而存在，但Chiang表示，该系统应该非常简单地扩展到商业化的实际尺寸。研究小组的成员已经成立了一家公司Propel Aero来开发该技术。该公司目前位于麻省理工学院的启动孵化器The Engine中。
由于该材料以前是大规模生产的，因此生产足够的钠金属以实现该技术的广泛，全面的全球实施应该是实用的。当含汽油是常态时，在逐步淘汰之前，钠金属被用来使四乙基铅用作添加剂，并且在美国以每年200,000吨的身份生产。 Chiang说：“它提醒我们，钠金属曾经是大规模生产的，并安全地处理和分布在美国。”
更重要的是，钠主要起源于氯化钠或盐，因此它丰富，在世界范围内广泛分布，并且很容易提取，与当今EV电池中使用的锂和其他材料不同。
他们设想的系统将使用可再填充的墨盒，该墨盒将装有液态钠金属并密封。当它耗尽时，它将返回一个补充电台，并装有新鲜的钠。钠在水沸点下方的98摄氏度上融化，因此很容易加热到熔点以加油。
最初，该计划是生产一个砖大小的燃料电池，该燃料电池可以提供约1,000瓦的能源，足以为大型无人机供电，以便以一种可用于农业的实用形式证明该概念。该团队希望在明年内准备这样的演示。
Sugano作为博士学位论文的一部分进行了大部分实验性工作，现在将在创业公司工作，他说，一个关键的见解是水分在此过程中的重要性。当她用纯氧气测试设备，然后用空气测试设备时，发现空气中的湿度量对于使电化学反应有效至关重要。潮湿的空气导致钠以液体而不是固体形式产生其排放产物，从而使它们更容易通过系统的空气流动去除。她说：“关键是我们可以形成这种液体排放产品并容易去除它，而不是在干燥条件下形成的固体排放。”
Ganti-Agrawal指出，该团队从各种不同的工程子场中汲取了灵感。例如，关于高温钠的研究已经有很多研究，但没有一个具有控制湿度的系统。他说：“我们从燃料电池研究中提取了设计电极的研究，我们正在从较旧的高温电池研究以及一些新生的钠空气电池研究中汲取灵感，并将其搅拌在一起，这导致了该团队取得的“性能大大”。
研究小组还包括一名麻省理工学院暑期实习生奥尔登·弗里森（Alden Friesen），他在亚利桑那州斯科茨代尔（Scottsdale）上沙漠山高中。在马萨诸塞州萨默维尔的形态能源的Kailash Raman和William Woodford；加利福尼亚州的Shashank Sripad和电池航空，以及密歇根大学的Venkatasubramanian Viswanathan。这项工作得到了ARPA-E，Breakthrough Energy Ventures和National Science Foundation的支持，并在MIT.Nano使用了设施。
