研究人员说，一种新的水基电池可以为后来储存风能或太阳能提供便宜的方式。电池储存太阳照射和风吹时产生的能量，以便在需求高时将其反馈回电网并重新分配。
据Nature Energy报道，原型锰氢电池的高度仅为3英寸，仅产生20毫瓦小时的电量，这与挂在钥匙环上的LED手电筒的能量水平相当。
尽管原型机的产量很小，研究人员仍然相信他们可以将这种桌面技术扩展到工业级系统，这种系统可以充电和充电高达10,000次，创造出一种网格级电池，其使用寿命远远超过十年。
斯坦福大学材料科学教授，该论文的资深作者易翠说，锰氢电池技术可能是美国能源难题中缺失的部分之一 – 一种存储不可预测的风能或太阳能的方法，以减少当可再生能源不可用时，需要燃烧可靠但碳排放的化石燃料。
“我们所做的是将特殊的盐投入水中，投入电极，并产生可逆的化学反应，以氢气的形式储存电子，”Cui说。
聪明的化学
崔氏实验室的博士后研究员魏晨率领团队创造了这个概念并构建了原型。实质上，研究人员哄骗了水和硫酸锰之间的可逆电子交换，这是一种便宜，丰富的工业盐，用于制造干电池，肥料，纸张和其他产品。
为了模拟风能或太阳能电池如何向电池供电，研究人员将电源连接到原型。流入的电子与溶解在水中的硫酸锰反应，留下粘附在电极上的二氧化锰颗粒。多余的电子以氢气的形式冒出，存储该能量供将来使用。
工程师们知道如何通过储存在氢气中的能量来重新产生电力，因此重要的下一步就是证明他们可以为水基电池充电。
研究人员通过将其电源重新连接至耗尽的原型来实现这一点，这次是为了诱导附着在电极上的二氧化锰颗粒与水结合，补充硫酸锰盐。一旦这个过程恢复了盐，进入的电子变得过剩，并且过多的能量可能以氢气的形式起泡，这种方法可以一次又一次地重复。
崔先生估计，考虑到水基电池的预期使用寿命，将花费一分钱来存储足够的电力来为100瓦灯泡供电12小时。
“我们相信这种原型技术将能够满足能源部的公用事业规模电力存储实用性目标，”崔说。
美国能源部（DOE）建议电网规模储存的电池应储存并在一小时内释放至少20千瓦的电力，至少能够充电5,000次，并且使用寿命为10年或更多。为了使其具有实用性，这样的电池系统应该花费2000美元或更少，或每千瓦时100美元。
前美国能源部秘书兼诺贝尔奖获得者史蒂文朱，现任斯坦福大学教授，长期以来一直致力于鼓励技术帮助国家向可再生能源过渡。
“虽然精确的材料和设计仍然需要开发，但这个原型展示了科学和工程类型，提出了实现低成本，长效，实用规模电池的新途径，”Chu说，他不是研究小组。
为电网供电
根据美国能源部估计，约70％的美国电力来自煤炭或天然气工厂，其中二氧化碳排放量占40％。转向风能和太阳能发电是减少这些排放的一种方法。但是这造成了新的挑战，涉及电源的可变性。最明显的是，太阳只是白天发光，有时候风不会吹。
但另一个较少理解但重要的变异形式来自电网需求的激增 – 这种高压电线网络将电力分散到各地区并最终流向家庭。在炎热的一天，当人们下班回家并启动空调时，公用事业公司必须采取负载平衡策略来满足高峰需求：某种方式可以在几分钟内提高发电量，以避免限电或停电，否则可能会导致电网损坏。
今天，公用事业公司常常通过启动按需或“可调度”发电厂来实现这一目标，这些发电厂可能在几分钟内闲置，但可以在几分钟内上线，从而产生快速能源，但会增加碳排放量。一些公用事业公司开发了不依赖化石燃料燃烧设备的短期负载平衡。
最常见和最具成本效益的这种策略是抽水蓄能电站：利用多余的电力将水送上山，然后在高峰需求期间让其回流以产生能源。然而，水电存储只适用于有充足水源和空间的地区。因此，为了使风能和太阳能更有用，美国能源部鼓励使用高容量电池作为替代方案。
打败竞争对手
崔表示，市场上有多种可充电电池技术，但尚不清楚哪些方法可以满足美国能源部的要求，并向维护国家电网的公用事业单位，监管机构和其他利益相关方证明其可行性。
例如，崔说可充电锂离子电池，存储运行手机和笔记本电脑所需的少量能源，是基于稀有材料，因此太贵以至于无法为邻近地区或城市储存电量。崔说，电网规模的存储需要一个低成本，高容量，可充电电池。锰氢过程似乎很有前景。
“其他可再充电电池技术在整个使用寿命期间的成本是其成本的五倍以上，”Cui补充道。
陈说，新型化学，低成本材料和相对简单，使锰氢电池成为低成本电网规模部署的理想选择。
原型需要开发工作来证明自己。首先，它使用铂作为催化剂，以刺激电极上的关键化学反应，使充电过程高效，并且该部件的成本对于大规模部署而言将是禁止的。但陈说，该团队已经在研究更便宜的方法来哄骗硫酸锰和水进行可逆电子交换。
他说：“我们已经确定了能够使我们达到每千瓦小时100美元DOE目标以下的催化剂。”
研究人员报告称，对原型进行了10,000次充电，这是DOE要求的两倍，但表示有必要在实际的电网储存条件下测试锰氢电池，以真正评估其寿命性能和成本。
崔说他已经通过斯坦福技术许可办公室申请专利，并计划组建一家公司来实现该系统的商业化。
其他合着者来自中国科学院和斯坦福大学。能源部资助了这项研究。