Ambri公司更好的电池
时间：2022-06-14 15:35:02 浏览次数：次
在创业公司Ambri的办公室里，站在乒乓球桌旁边的首席技术官戴维·布拉德韦尔需要用双手才能拿起电池组件，他希望它将来能应用在新型电网的建设中。这种组件是用厚钢制成的，外形是一个巨大的平底锅似的圆形容器，直径16英寸。里面是两个金属圆盘和一些含盐粉末，与焊接在顶部的圆形金属板组成一个重达100磅的电池组件。
通过把这些大型组件连接起来，Ambri公司计划制造相当于40英尺海运集装箱式的巨型电池。不止尺寸惊人，Ambri公司所用技术让这一电池的化学反应也与所以目前的电池不一样。当组件被加热到500℃时，内部的圆盘和粉末，也就是电池的电极和电解液将会分别熔化。这就产生了一个所有部件都是液体的电池。传统充电电池的固态电极会产生损耗，但是液态电池可以在不怎么损失储能能力的情况下持续使用很多年。相对固体材料，熔化的材料可以在高得多的电流密度下工作，并且持续更长时间。
麻省理工学院材料化学教授，Ambri公司的联合创始人，唐纳德·沙德维设想使用液态一金属电池构建电网储能电池，从而以很低的成本，多小时地存储太阳能和风力发电产生的能量。由于电网储能的固定电池不用像笔记本电脑、汽车或手电筒中使用的电池那样轻便，因此他可以选择与这些电池完全不同的化学成分。其结果就是这样的电池可以使用充足且廉价的材料和简单的生产工艺进行制造。这种电池可以安全地控制大电流，在短时间或更长的周期内提供能量。
如果Ambri公司或其他人可以使电网储能变得廉价而且可靠，就将改变我们获得电力的方式。由于风力发电和太阳能发电的间歇性，这些可再生能源不能可靠地为整个甚至大部分电网供电。电网调度要保证用电量和发电量之间的稳定平衡。电力系统必须满足最大用电量需求，比如人们在夏季打开空调的情况。这意味着风电场和太阳能电站通常需要可快速供应电力的天然气发电站做支持。
在需要的时候能释放存储的电能意味着可以关闭或少建一些化石燃料电厂。但是目前为止我们还没有为电网储能的万全之策。现在，99%的电网储能方式是“抽水蓄能”——用水泵把水送到高处的水库，在需要发电时释放，推动发电机发电。这种低技术含量的方法是有效的，并且从长期来看是廉价的，但是这只限于山区和水资源丰富的地区才能实现。美国能源先进研究项目局（ARPA-E）能源部主管电网储能项目的马克约翰逊（Mark Johnson）表示：抽水蓄能提供的电量还不到美国一天功率电容（power capaclty）的1%。
许多公司正在开发新型储能设备，包括各种类型的巨型电池，大型旋转圆筒装置（飞轮储能），甚至还有压缩空气存贮罐。但是目前为止没有一种方法具有价格竞争力。根据规模，一个抽水蓄能电站可以以每千瓦时100美元的成本价提供数十小时电力。电网级储能电池的成本是它的10倍，这就是为什么现在电网只有寥寥几百个兆瓦级的储能电池，比一个通常电站的装机还要小。
Ambri公司认为通过使用廉价的材料和简单的电池设计（无可移动部件），他们完全可以提供成本低于每千瓦时500美元且可靠的能量储存。虽然这仍高于抽水蓄能技术，但是由于电池可以被放置在任何地方，Ambri公司认为他们的技术在许多应用条件下是最经济的选择。
约翰逊说：“对于电网而言，只有一个衡量指标比其他所有指标更重要，那就是成本，除了成本还是成本。”
酒杯
当沙德维在2005年第一次考虑电网储能问题的时候，他希望从铝精炼熔炉中获得灵感。这些巨大的机器可以扩展到20万平方英尺，通过电解的方式使用大量电能从熔融状态的氧化铝中提取铝。接受过冶金学训练的沙德维认识到熔炼过程可以为充电电池提供参考模板，使电池输出的电流水平达到电网应用的要求。他说：“我看着整个过程不禁说道，哇，这就像半个电池一样！而且它很大，可扩展并且廉价”。
想到到液态-金属电池的主意以后，沙德维开始寻找合适的电极：他最终选择了镁和锑，因为他们廉价并且在液态时可以自然分开，较轻的镁上升到顶部。含盐电解液停留在镁电极和锑电极之间，形成一个三层的电池。
当电池应开始向电网提供电能的时候，上层的镁原子（阳极）放出电子。这就使得镁离子穿过电解液与锑发生反应，生成一种合金并且扩展到单元的底层（阴极）。当电池充电的时候，其原理类似精炼炉，合金中放出的镁穿过电解液重新加入镁电极。强电流产生的热量可以保持金属的熔融状态。（Ambri公司已经改用更便宜的合金和盐的混合物，化学反应过程不变。）
2007年，布拉德韦尔还是沙德维实验室的一名学生，他用镁-锑技术制造了酒杯直径大小的试验级电池。到了2009年，他们已经从美国能源先进研究项目局和法国石油公司道达尔（Total）获得了将近1100万美元的研究资金。第二年，沙德维和布拉德韦尔创立了一家名为液态金属电池公司（Liquid Metal Battery Corporation）。此后他们得到了比尔·盖茨（Bill Gates）和道达尔的种子资金支持。
两位创始人预计技术工作将持续超过5到7年，而这正是风投资本家通常愿意等待投资兑现的时间。所以Ambri公司并没有像其他清洁技术的创业公司那样一开始就接受投资。不过，2011年夏天，在生产产品的时候。沙德维还是招聘了一名新CEO菲利普·朱迪切（Philip Giudice），协助从科斯拉风险投资（Khosla Ventures）获得了1500万资金。公司改名为Ambri，名字来源于这项技术的发源地剑桥。
“至少在一开始，Ambri公司希望避免与电力公司合作，”前马赛诸塞州能源官员朱迪切说道：电力公司很保守，他们没有经济刺激和管理压力来尝试新技术。意愿。Ambri公司最先看准一些军事基地或类似数据中心的，愿意购买备用电源的其他单位。这个市场并不大，但可以用来对电池进行检验。
公司预计在今年晚些时候完成冰箱大小的电池模块，这个模块由上百个像曲棍球用球大小的电池单元堆积而成，内部由电线串联。到2014年，研究者们希望实现商业意义上的全尺寸样机原型，这个全尺寸样机将会有80个上述电池模块构成。样机可以发出500千瓦时的电能，并存储2兆瓦一小时的电能，这将足以为70个美国家庭提供一整天的电。
朱迪切表示，即使样机原型制作并运行成功，Ambri公司仍会避免与复杂，规矩众多的电力公司合作，而去支持独立发电商和发展并独自拥有能源项目的公司。例如，在西德克萨斯州，风能在夜晚经常出现发电过剩，而这时的用电需求和电价都很低。电池储能可以使风电场主在用电高峰时释放电能，获得更高的收益。另一个吸引人的早期市场是城市，可以满足高峰时期的电力需求，比起新增电力传输线路来说，电池的性价比更高。
朱迪切表示，如果一切都在意料之中，Ambri公司将会展示多种电池安装方式，并向电力公司证明这种技术的低风险。到那个时候，Ambri公司就可以与电力公司及批准电网设备中投资的国家管理者展开合作。在未来的5到10年里，一个被充分认可的电力存储设备有数十亿美元的市场潜力。
资金
布拉德韦尔展示了他的团队的进展状况，他举起了最原始的那个酒杯大小的电池单元，旁边是慢慢变大的电池，4英寸，6英寸和最终的16英寸电池单元。但是，Ambri公司的研究人员现在面对着如何把液态一金属电池提升到工业化规模的挑战。解决其他任务的同时，他们必须为电池设计出不透气的密封装置并且建立起热量管理系统，从而保证充放电所释放的热量足以让金属保持液态。研究团队仍在研究寻找最小化生产成本的单个电池体积大小，但是电池单元将会是正方形的，边长在4英寸到16英寸之间，高度大约为2英寸。
Ambri公司有足够的资金完成它的第一个样机原型。但是扩大生产规模将需要更多的资金，而现在清洁技术的金融环境相当恶劣。由于地下的投资回报率，一系列广为人知的公司倒闭事件，以及建造制造能力的昂贵费用，很多风险投资家已经放弃了清洁技术，让融资选择变得寥寥无几。
融资方面的障碍尤其突出，这是因为电网储能的创业公司正在一个还几乎不存在的行业里面临着技术上的巨大挑战，在这个行业里，几乎从没使用过电池。来自通用催化风险投资公司（General Catalyst Partners[直接使用英文]）的投资家比拉尔·祖贝里（BilalZuberi）曾经投资过一个创业公司，开发基于压缩空气的电网储能技术，他表示：“风投资金喜欢承担技术或者商业上的风险，一些人可以承担两者，但是大部分人都做不到。”在下一个阶段里，Ambri公司试图追随电力行业的投资者们，希望诸如GE，ABB和西门子这样的公司不仅可以提供资金支持，还能提供制造和市场方面的信用及专家意见。然而，就算Ambri公司的工程技术完美无缺，同时公司获得了发展所需的全部资金，它也将和其他可替代能源的公司一样，面临相同的阻碍：廉价的天然气。因为天然气在美国已经变成电力生产优先考虑的燃料，电网储能技术保有竞争力的价格门槛降低了很多。
最终，对Ambri公司利好的最重要因素也许会来自陈旧脆弱的电网本身。由于飓风桑迪和飓风艾琳导致的大规模的电力断供说明电力系统有多么脆弱，这使得政界和公众都要求给出解决办法。电网储能可以带来急需的适应力和灵活性，为建筑物甚至社区配备后备电源，同时还允许电网调度员平滑电力输出时的波动。一些现在必须被维护以确保电力供应的大型集中式发电站为确保电力也将不再为我们所需了。
意识到电力系统需要成百上千个巨大电池作为缓冲，这需要很多年的时间，并且这也意味着对电力工业现状的颠覆。这绝不简单。但是Ambri公司相信他们提供的电池是迈向新里程的第一步。