Ambri公司更好的電池

在創(chuàng)業(yè)公司Ambri的辦公室里，站在乒乓球桌旁邊的首席技術(shù)官戴維·布拉德韋爾需要用雙手才能拿起電池組件，他希望它將來能應(yīng)用在新型電網(wǎng)的建設(shè)中。這種組件是用厚鋼制成的，外形是一個(gè)巨大的平底鍋似的圓形容器，直徑16英寸。里面是兩個(gè)金屬圓盤和一些含鹽粉末，與焊接在頂部的圓形金屬板組成一個(gè)重達(dá)100磅的電池組件。

通過把這些大型組件連接起來，Ambri公司計(jì)劃制造相當(dāng)于40英尺海運(yùn)集裝箱式的巨型電池。不止尺寸驚人，Ambri公司所用技術(shù)讓這一電池的化學(xué)反應(yīng)也與所以目前的電池不一樣。當(dāng)組件被加熱到500℃時(shí)，內(nèi)部的圓盤和粉末，也就是電池的電極和電解液將會(huì)分別熔化。這就產(chǎn)生了一個(gè)所有部件都是液體的電池。傳統(tǒng)充電電池的固態(tài)電極會(huì)產(chǎn)生損耗，但是液態(tài)電池可以在不怎么損失儲(chǔ)能能力的情況下持續(xù)使用很多年。相對固體材料，熔化的材料可以在高得多的電流密度下工作，并且持續(xù)更長時(shí)間。

麻省理工學(xué)院材料化學(xué)教授，Ambri公司的聯(lián)合創(chuàng)始人，唐納德·沙德維設(shè)想使用液態(tài)一金屬電池構(gòu)建電網(wǎng)儲(chǔ)能電池，從而以很低的成本，多小時(shí)地存儲(chǔ)太陽能和風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的能量。由于電網(wǎng)儲(chǔ)能的固定電池不用像筆記本電腦、汽車或手電筒中使用的電池那樣輕便，因此他可以選擇與這些電池完全不同的化學(xué)成分。其結(jié)果就是這樣的電池可以使用充足且廉價(jià)的材料和簡單的生產(chǎn)工藝進(jìn)行制造。這種電池可以安全地控制大電流，在短時(shí)間或更長的周期內(nèi)提供能量。

如果Ambri公司或其他人可以使電網(wǎng)儲(chǔ)能變得廉價(jià)而且可靠，就將改變我們獲得電力的方式。由于風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的間歇性，這些可再生能源不能可靠地為整個(gè)甚至大部分電網(wǎng)供電。電網(wǎng)調(diào)度要保證用電量和發(fā)電量之間的穩(wěn)定平衡。電力系統(tǒng)必須滿足最大用電量需求，比如人們在夏季打開空調(diào)的情況。這意味著風(fēng)電場和太陽能電站通常需要可快速供應(yīng)電力的天然氣發(fā)電站做支持。

在需要的時(shí)候能釋放存儲(chǔ)的電能意味著可以關(guān)閉或少建一些化石燃料電廠。但是目前為止我們還沒有為電網(wǎng)儲(chǔ)能的萬全之策。現(xiàn)在，99%的電網(wǎng)儲(chǔ)能方式是“抽水蓄能”——用水泵把水送到高處的水庫，在需要發(fā)電時(shí)釋放，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種低技術(shù)含量的方法是有效的，并且從長期來看是廉價(jià)的，但是這只限于山區(qū)和水資源豐富的地區(qū)才能實(shí)現(xiàn)。美國能源先進(jìn)研究項(xiàng)目局（ARPA-E）能源部主管電網(wǎng)儲(chǔ)能項(xiàng)目的馬克約翰遜（Mark Johnson）表示：抽水蓄能提供的電量還不到美國一天功率電容（power capaclty）的1%。

許多公司正在開發(fā)新型儲(chǔ)能設(shè)備，包括各種類型的巨型電池，大型旋轉(zhuǎn)圓筒裝置（飛輪儲(chǔ)能），甚至還有壓縮空氣存貯罐。但是目前為止沒有一種方法具有價(jià)格競爭力。根據(jù)規(guī)模，一個(gè)抽水蓄能電站可以以每千瓦時(shí)100美元的成本價(jià)提供數(shù)十小時(shí)電力。電網(wǎng)級儲(chǔ)能電池的成本是它的10倍，這就是為什么現(xiàn)在電網(wǎng)只有寥寥幾百個(gè)兆瓦級的儲(chǔ)能電池，比一個(gè)通常電站的裝機(jī)還要小。

Ambri公司認(rèn)為通過使用廉價(jià)的材料和簡單的電池設(shè)計(jì)（無可移動(dòng)部件），他們完全可以提供成本低于每千瓦時(shí)500美元且可靠的能量儲(chǔ)存。雖然這仍高于抽水蓄能技術(shù)，但是由于電池可以被放置在任何地方，Ambri公司認(rèn)為他們的技術(shù)在許多應(yīng)用條件下是最經(jīng)濟(jì)的選擇。

約翰遜說：“對于電網(wǎng)而言，只有一個(gè)衡量指標(biāo)比其他所有指標(biāo)更重要，那就是成本，除了成本還是成本。”

酒杯

當(dāng)沙德維在2005年第一次考慮電網(wǎng)儲(chǔ)能問題的時(shí)候，他希望從鋁精煉熔爐中獲得靈感。這些巨大的機(jī)器可以擴(kuò)展到20萬平方英尺，通過電解的方式使用大量電能從熔融狀態(tài)的氧化鋁中提取鋁。接受過冶金學(xué)訓(xùn)練的沙德維認(rèn)識(shí)到熔煉過程可以為充電電池提供參考模板，使電池輸出的電流水平達(dá)到電網(wǎng)應(yīng)用的要求。他說：“我看著整個(gè)過程不禁說道，哇，這就像半個(gè)電池一樣！而且它很大，可擴(kuò)展并且廉價(jià)”。

想到到液態(tài)-金屬電池的主意以后，沙德維開始尋找合適的電極：他最終選擇了鎂和銻，因?yàn)樗麄兞畠r(jià)并且在液態(tài)時(shí)可以自然分開，較輕的鎂上升到頂部。含鹽電解液停留在鎂電極和銻電極之間，形成一個(gè)三層的電池。

當(dāng)電池應(yīng)開始向電網(wǎng)提供電能的時(shí)候，上層的鎂原子（陽極）放出電子。這就使得鎂離子穿過電解液與銻發(fā)生反應(yīng)，生成一種合金并且擴(kuò)展到單元的底層（陰極）。當(dāng)電池充電的時(shí)候，其原理類似精煉爐，合金中放出的鎂穿過電解液重新加入鎂電極。強(qiáng)電流產(chǎn)生的熱量可以保持金屬的熔融狀態(tài)。（Ambri公司已經(jīng)改用更便宜的合金和鹽的混合物，化學(xué)反應(yīng)過程不變。）

2007年，布拉德韋爾還是沙德維實(shí)驗(yàn)室的一名學(xué)生，他用鎂-銻技術(shù)制造了酒杯直徑大小的試驗(yàn)級電池。到了2009年，他們已經(jīng)從美國能源先進(jìn)研究項(xiàng)目局和法國石油公司道達(dá)爾（Total）獲得了將近1100萬美元的研究資金。第二年，沙德維和布拉德韋爾創(chuàng)立了一家名為液態(tài)金屬電池公司（Liquid Metal Battery Corporation）。此后他們得到了比爾·蓋茨（Bill Gates）和道達(dá)爾的種子資金支持。

兩位創(chuàng)始人預(yù)計(jì)技術(shù)工作將持續(xù)超過5到7年，而這正是風(fēng)投資本家通常愿意等待投資兌現(xiàn)的時(shí)間。所以Ambri公司并沒有像其他清潔技術(shù)的創(chuàng)業(yè)公司那樣一開始就接受投資。不過，2011年夏天，在生產(chǎn)產(chǎn)品的時(shí)候。沙德維還是招聘了一名新CEO菲利普·朱迪切（Philip Giudice），協(xié)助從科斯拉風(fēng)險(xiǎn)投資（Khosla Ventures）獲得了1500萬資金。公司改名為Ambri，名字來源于這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)源地劍橋。

“至少在一開始，Ambri公司希望避免與電力公司合作，”前馬賽諸塞州能源官員朱迪切說道：電力公司很保守，他們沒有經(jīng)濟(jì)刺激和管理壓力來嘗試新技術(shù)。意愿。Ambri公司最先看準(zhǔn)一些軍事基地或類似數(shù)據(jù)中心的，愿意購買備用電源的其他單位。這個(gè)市場并不大，但可以用來對電池進(jìn)行檢驗(yàn)。

公司預(yù)計(jì)在今年晚些時(shí)候完成冰箱大小的電池模塊，這個(gè)模塊由上百個(gè)像曲棍球用球大小的電池單元堆積而成，內(nèi)部由電線串聯(lián)。到2014年，研究者們希望實(shí)現(xiàn)商業(yè)意義上的全尺寸樣機(jī)原型，這個(gè)全尺寸樣機(jī)將會(huì)有80個(gè)上述電池模塊構(gòu)成。樣機(jī)可以發(fā)出500千瓦時(shí)的電能，并存儲(chǔ)2兆瓦一小時(shí)的電能，這將足以為70個(gè)美國家庭提供一整天的電。

朱迪切表示，即使樣機(jī)原型制作并運(yùn)行成功，Ambri公司仍會(huì)避免與復(fù)雜，規(guī)矩眾多的電力公司合作，而去支持獨(dú)立發(fā)電商和發(fā)展并獨(dú)自擁有能源項(xiàng)目的公司。例如，在西德克薩斯州，風(fēng)能在夜晚經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)電過剩，而這時(shí)的用電需求和電價(jià)都很低。電池儲(chǔ)能可以使風(fēng)電場主在用電高峰時(shí)釋放電能，獲得更高的收益。另一個(gè)吸引人的早期市場是城市，可以滿足高峰時(shí)期的電力需求，比起新增電力傳輸線路來說，電池的性價(jià)比更高。

朱迪切表示，如果一切都在意料之中，Ambri公司將會(huì)展示多種電池安裝方式，并向電力公司證明這種技術(shù)的低風(fēng)險(xiǎn)。到那個(gè)時(shí)候，Ambri公司就可以與電力公司及批準(zhǔn)電網(wǎng)設(shè)備中投資的國家管理者展開合作。在未來的5到10年里，一個(gè)被充分認(rèn)可的電力存儲(chǔ)設(shè)備有數(shù)十億美元的市場潛力。

資金

布拉德韋爾展示了他的團(tuán)隊(duì)的進(jìn)展?fàn)顩r，他舉起了最原始的那個(gè)酒杯大小的電池單元，旁邊是慢慢變大的電池，4英寸，6英寸和最終的16英寸電池單元。但是，Ambri公司的研究人員現(xiàn)在面對著如何把液態(tài)一金屬電池提升到工業(yè)化規(guī)模的挑戰(zhàn)。解決其他任務(wù)的同時(shí)，他們必須為電池設(shè)計(jì)出不透氣的密封裝置并且建立起熱量管理系統(tǒng)，從而保證充放電所釋放的熱量足以讓金屬保持液態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)仍在研究尋找最小化生產(chǎn)成本的單個(gè)電池體積大小，但是電池單元將會(huì)是正方形的，邊長在4英寸到16英寸之間，高度大約為2英寸。

Ambri公司有足夠的資金完成它的第一個(gè)樣機(jī)原型。但是擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模將需要更多的資金，而現(xiàn)在清潔技術(shù)的金融環(huán)境相當(dāng)惡劣。由于地下的投資回報(bào)率，一系列廣為人知的公司倒閉事件，以及建造制造能力的昂貴費(fèi)用，很多風(fēng)險(xiǎn)投資家已經(jīng)放棄了清潔技術(shù)，讓融資選擇變得寥寥無幾。

融資方面的障礙尤其突出，這是因?yàn)殡娋W(wǎng)儲(chǔ)能的創(chuàng)業(yè)公司正在一個(gè)還幾乎不存在的行業(yè)里面臨著技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)，在這個(gè)行業(yè)里，幾乎從沒使用過電池。來自通用催化風(fēng)險(xiǎn)投資公司（General Catalyst Partners[直接使用英文]）的投資家比拉爾·祖貝里（BilalZuberi）曾經(jīng)投資過一個(gè)創(chuàng)業(yè)公司，開發(fā)基于壓縮空氣的電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)，他表示：“風(fēng)投資金喜歡承擔(dān)技術(shù)或者商業(yè)上的風(fēng)險(xiǎn)，一些人可以承擔(dān)兩者，但是大部分人都做不到。”在下一個(gè)階段里，Ambri公司試圖追隨電力行業(yè)的投資者們，希望諸如GE，ABB和西門子這樣的公司不僅可以提供資金支持，還能提供制造和市場方面的信用及專家意見。然而，就算Ambri公司的工程技術(shù)完美無缺，同時(shí)公司獲得了發(fā)展所需的全部資金，它也將和其他可替代能源的公司一樣，面臨相同的阻礙：廉價(jià)的天然氣。因?yàn)樘烊粴庠诿绹呀?jīng)變成電力生產(chǎn)優(yōu)先考慮的燃料，電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)保有競爭力的價(jià)格門檻降低了很多。

最終，對Ambri公司利好的最重要因素也許會(huì)來自陳舊脆弱的電網(wǎng)本身。由于颶風(fēng)桑迪和颶風(fēng)艾琳導(dǎo)致的大規(guī)模的電力斷供說明電力系統(tǒng)有多么脆弱，這使得政界和公眾都要求給出解決辦法。電網(wǎng)儲(chǔ)能可以帶來急需的適應(yīng)力和靈活性，為建筑物甚至社區(qū)配備后備電源，同時(shí)還允許電網(wǎng)調(diào)度員平滑電力輸出時(shí)的波動(dòng)。一些現(xiàn)在必須被維護(hù)以確保電力供應(yīng)的大型集中式發(fā)電站為確保電力也將不再為我們所需了。

意識(shí)到電力系統(tǒng)需要成百上千個(gè)巨大電池作為緩沖，這需要很多年的時(shí)間，并且這也意味著對電力工業(yè)現(xiàn)狀的顛覆。這絕不簡單。但是Ambri公司相信他們提供的電池是邁向新里程的第一步。