廉价的质子流电池可以在能量密度上与锂电池展开竞争

皇家墨尔本理工大学的工程师说，他们已经将廉价、可充电、可回收的质子流电池的能量密度提高了两倍，现在这种电池可以挑战市售锂离子电池的容量，比能量密度达到 245 Wh/kg。与之相比，目前特斯拉 Model 3 电池组中的锂离子电池的能量密度仅为 260 多 Wh/kg，但却不使用任何锂，从而避免了预期的锂挤压，以及在电池供应链中对中国的供应依赖和各种报废问题。

早在 2014 年，我们就曾报道过这个团队的工作，当时公布了基于氢的质子流电池的首个概念验证。

(资料图片仅供参考)

从本质上讲，这是一种利用氢气储存能量的不同方法。质子电池的工作原理类似于可逆燃料电池，充电时接受水，分裂出带正电荷的氢离子并释放出氧气。

质子电池内部示意图 RMIT University

此时，大多数氢气系统会让这些离子结合成氢气，然后消耗能量将其压缩、超冷液化或进一步加工成氨。质子电池则将氢质子直接储存在浸泡在稀酸中的多孔固体活性炭电极的孔中。电池放电时只需加入氧气，能量就会随着水的产生而释放出来。

在他们的最新论文中，皇家墨尔本理工大学的研究人员研究了质子电池工作的基本原理--主要是氧侧反应--以便围绕如何改进质子电池提出一些想法并进行测试。论文称，这些想法包括：在制备电极之前对活性炭粉末进行真空干燥，以去除材料中的水分；在运行过程中将整个电池温和加热至 70 °C；以及用更薄的 GDL 纤维片取代氧侧气体扩散层 (GDL)。

他们说，这样做的好处是巨大的，质子电池的单位重量储能几乎是他们上一个电池的三倍，"比以前文献报道的使用酸性电解质的最高电化学储氢量高出一倍多"。其密度为每克 882 焦耳，大致相当于每公斤 245 瓦时，与目前市场上的优质商用锂电池不相上下。

沙欣-海达里博士（左）、约翰-安德鲁斯教授和赛义德-尼亚博士在皇家墨尔本理工大学实验室演示质子电池操作两个小风扇的情景

那么，质子电池一旦商业化，会有哪些优势呢？与高压气体、持续沸腾的低温液体或腐蚀性极强的氨相比，质子电池是一种非常安全稳定的氢气运输方式。它的寿命很长，充电也很快。不仅如此，它的成本相对较低，因为不需要锂或任何其他稀有金属，而且可以使用丰富的材料和廉价的制造工艺来制造。它还将是 100% 可回收的。

首席研究员、皇家墨尔本理工大学教授约翰-安德鲁斯（John Andrews）在一份新闻稿中说："我们的电池的单位质量能量已经可以与市面上的锂离子电池相媲美，同时更安全，对地球也更好，因为可以减少从地下开采资源。"

"我们的电池还可以进行快速充电，生产电池使用的主要资源是碳，与其他类型的充电电池（如锂、钴和钒）所需的资源相比，碳资源丰富，各国均可获得，而且价格低廉。质子电池也不存在报废时的环境问题，因为所有组件和材料都可以再生、再利用或回收。"

"对于大多数氢动力系统来说，往返效率无疑是个大问题，因为在电解、压缩/冷却、存储以及燃料电池将氢转化为电能的过程中，能量会被浪费掉。但这里的情况似乎并非如此。"安德鲁斯说："我们的质子电池比传统氢气系统的损耗要低得多，在能源效率方面可直接与锂离子电池相媲美。锂电池的往返效率一般在 90% 以上。

沙欣-海达里博士（左）和赛义德-尼雅博士在媒体合影时与万用表和他们的原型机合影

不过，与其说它是燃料电池的竞争对手，倒不如说它是电池的竞争对手。在航空等对重量要求极高的应用领域，气态氢和液态氢每公斤系统重量所携带的能量仍要高出数倍。

尽管如此，该团队仍在努力实现质子电池的商业化。安德鲁斯说："我们期待与埃尔多公司合作，在墨尔本和意大利进一步开发这项技术，生产出存储容量能够满足一系列家用和商用需求的原型电池。这项合作的目的是将系统从瓦级扩大到千瓦级，并最终扩大到兆瓦级。

该研究成果发表在《电源杂志》上。