【锂电知识】电池人的倔强:一个坚信铝空气电池能拯救世界的英国工程师

来源:锂电知识   2019-08-13  阅读数:

  或许锂离子电池大家都很熟悉,被广泛的应用于各种锂电产品中,但是你知道铝空气电池吗?本文讲述的是:一名英国工程师从上个世纪延续至今的对铝空气电池的热爱。

  几十年前,特雷弗•杰克逊(Trevor Jackson),英国的一名年轻海军工程师对潜艇中运行的电池产生了兴趣。在当时几乎没人知道,21世纪,电池将成为科技领域最大的行业之一。伴随着对电池的好奇心,在大约20年前的时候,他决定追寻那个在海浪下诞生多年的梦想。

  杰克逊忠于研究,他对锂电池很感兴趣,锂电池如今已经成为电池行业的主导,但更加让他着迷的是对铝空气电池的研究。

特雷弗•杰克逊

特雷弗•杰克逊

杰克逊如何走上铝空气电池之路?

  杰克逊喜爱冒险,在获得了工程学学位后,他来到劳斯莱斯(rolls Royce)从事修理反应堆的工作,又通过不列颠尼亚皇家海军学院(Britannia Royal Naval College)回到了海上。冷战结束后,杰克逊回到工业界,在格拉斯哥的英国航空航天公司(BAe)从事潜艇系统的工作,由此他开始对电池产生兴趣。

  1999年,在加州氢燃料电池公司发展鼎盛之际,他离开英国航空航天公司,创办了自己的燃料电池公司。通过研究其他技术,他发现了金属空气电池,技术上称其为“(铝)/空气”电池,铝空气电池系统可以产生足够的能量和动力,可用于提高行驶里程和加速,能量类似于燃油汽车系统所提供的。

  其实多年来,一些被称为“金属空气”的电池已经成功地应用于离网系统,这类电池中最吸引人的金属是铝,因为它是地球上最常见的金属,也是能量密度最高的金属之一。铝空气电池产生的唯一的废物是氢氧化铝,但它可以作为原料被返回冶炼厂以制造更多的铝。因此,这种循环与石油工业是分离的,是高度可持续的,甚至可以通过回收铝罐来制造电池。

  想象一下——一个与高污染石油工业分离的能源是多么卓越。

回收铝罐来制造电池

为何铝空气电池无法应用于主流?

  杰克逊着迷于他的铝空气电池研究,他租了一间实验室,又回到了开发工程师的岗位,他不停地思考、制作、测试和调整。但同时杰克逊也发现了一个问题:几乎没有人在主流应用中使用铝空气电池,为什么?

  最重要的原因是电解质。电解质是电池内部的一种化学介质,它允许电荷在阴极和阳极之间流动。但当铝空气电池开始运行时,化学反应会产生一种“凝胶”,这种副产品会逐渐阻塞进入电池的气道,破坏铝空气电池的效率,对于研究人员来说这是一个棘手的问题。

  经过大量的实验,2001年,杰克逊开发了一种他认为的革命性的铝空气电池电解质,这种电解质有可能消除阻碍其商业化的问题。他认为,有了这种电解质“一切都很稳定,氢气和凝胶几乎都消失了,电力要好得多。”

铝空气电池电解质

钟情于锂离子电池的英国政府

  对杰克逊来说,这一突破如果得到证实是具有巨大潜力的,他研发的电池的能量密度大约是锂离子电池的8倍,这让他兴奋得难以自制,他认为他需要将这一研究成果告知英国政府的政客们。

  但,理想很丰满,现实很骨感。尽管在2001年杰克逊向一名勋爵详细展示了该电池的工作原理,随后又收到了电子邮件承诺会转告给英国首相布莱尔,但英国政府对此毫无兴趣,当时英国政府的官方创新机构innovation UK重视的是锂电池技术,而不是铝空气电池。

英国前首相布莱尔

英国前首相布莱尔

  杰克逊试图说服公众并希望一些投资者支持他,但被称为“锂电池游说团”的机构控制了该行业,他们对锂电池的重视超过了其他任何技术。杰克逊认为这也意味着英国政府实际上把一项可能会彻底改变电力储能,甚至有助于对抗碳排放,推动英国朝着减少污染的电池技术放弃了。

反转又反转

  杰克逊对英国政府感到很失望,2005年,他将自己的研发中心搬到了法国。

  功夫不负有心人。终于在2007年,法国南特理工学院确认了杰克逊铝空气电池发明的潜力。与锂离子电池相比,它的优点是(现在仍然是)提高了电池电压,使用的仅是普通的铝,几乎不会产生污染,而且有稳定、长时间的电力输出。

  基于这样的优势,2007年,法国政府正式认可该技术为“战略性的,符合法国国家利益的”。

  这时戏剧性的一幕上演了,正应了那句“珍惜眼前人”,英国外交部幡然醒悟,注意到了杰克逊给铝空气电池带来的巨变,他们向杰克逊承诺,如果这项技术被“返送”回英国,英国电信公司将为推出这项技术付出“300%”的努力。

  这样一番豪言不久又被“打脸”。2009年,英国电信公司的技术战略委员会拒绝支持这项技术,理由是汽车委员会的技术路线图“排除了这种类型的电池”,杰克逊的研发再次在英国被放弃。

  但与此同时,其他国家的政府对探索金属空气电池的热情持续高涨。列如,

  以色列政府直接投资了Phinergy——一家致力于类似铝空气技术的创业公司;

  俄罗斯铝业公司(RUSAL)开发了一种不含二氧化碳的冶炼工艺,这意味着理论上,他们可以用这种不含二氧化碳的工艺制造铝空气电池。

始终钟情于铝空气电池的杰克逊

  两次被英国政府拒绝的杰克逊试图告诉他们所犯的错误。他在英国议会商业能源和工业战略特别委员会(Select Committee for business-energy and industrial strategy)发言时,描述了英国是如何偏爱锂离子技术,甚至为锂离子研究提供了高达数十亿英镑的资金。在2017年,英国首相特蕾莎·梅(Theresa May)也进一步支持锂离子电池行业。

  杰克逊仍然没有放弃,他申请了英国大学的国防科学与技术实验室(DSTL)。但在2017年,他被以“没有资金”驳回了,但DSTL在南安普顿大学(Southampton University)有一个自己的铝空气技术项目,他们致力于寻找更好的电解质。

  杰克逊又将目标转向汽车工业。2013年,他成立了自己的公司MAL(品牌为“Metalectrique”),并利用种子基金在其位于英国塔维斯托克(Tavistock)的实验室设施中成功地测试了一种长期的电池组设计。

  杰克逊与莲花工程公司密切合作,为日产Leaf和马欣德拉Reva“G-Wiz”型电动汽车设计和开发远程替代电源包。当时,日产对这一“Beyond Lithium Technology”(超越锂技术)表现出了浓厚的兴趣,但遗憾的是他们已经承诺要将锂电池安装到Leaf上。杰克逊没有气馁,他继续生产全尺寸的电池进行测试,并证明铝空气技术优于任何其他现有技术。

铝空气电池

  在测试中,杰克逊的铝空气动力技术可以呈现出1500英里的电池续航里程和90秒的交换系统。这样做的好处显而易见:对司机来说很划算,每英里要花0.08英镑;安全无二氧化碳;可回收和可二次利用;电池的成本很低:每千瓦时只需60英镑。

  但对锂离子电池的持续重视阻碍了金属空气电池等新途径的开发。事实上,锂电池现在也面临着相当大的挑战,与铝不同,国外认为,锂电池的供应没有保障,尤其是在中国囊括了全球大部分稀土储存库的时代。

  其实,铝空气技术的优势和劣势也是共存的。首先,无需给电池充电,汽车只需在几秒钟内更换电池,就可以完全消除“充电时间”,目前大多数充电站的额定功率为50 kW,大约是锂电池充电5分钟所需电量的百分之一。但与此同时,氢燃料电池也需要一个庞大且昂贵的氢基础设施和一个新的氢发电系统。

  去年5月,杰克逊终于开始得到英国政府的认可。作为技术开发加速计划(TDAP)的一部分,英国先进推进中心将杰克逊MAL公司的电池纳入了对15家英国初创企业的投资之中。但事情往往没有那么简单,这15家公司不得不分享区区110万英镑的资金,因此杰克逊还在为筹集资金奔走。

  不论如何,杰克逊一直在推动铝空气电池,并向全世界传播铝空气电池拯救地球的潜力。坚持了20年,虽然风头一直被锂电池打压,但他始终致力于推动铝空气电池,或许常人难以理解,但杰克逊在电池行业所花费的精力和心血是所有电池人值得学习的。