杠杆炒股怎么算 能量密度提高25倍！新型纳米液流电池将超越锂电,不仅仅在储能！
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未来的某一天，当莫尼卡把电动汽车开到母亲家时，她的电池电量表显示是时候重新充电了。她在充电站停了下来，用信用卡轻触开关，然后将喷嘴插入车内，5分钟内400升用过的纳米流体被更换成了新鲜的能量液。在她等待的时候，一辆大型罐车停了下来，通过将数万升的乏燃料换成已充电燃料来为整个站点充能。莫尼卡关闭了她的电动汽车加油口，驶向高速公路，储存的能量足以让她继续行驶640公里（400英里）。
她的电动汽车中的电池是液流电池的变体，这种设计可以更换废电解液，这是最快的选择，也可以直接对电池充电，但这需要更长的时间。液流电池安全、稳定、持久、易于重新充电，这些特性非常适合它们平衡电网、提供不间断电源和备用电源。
这种电池使用一种全新的流体，称为纳米电燃料(NEF)。与尺寸相当的传统液流电池相比，它可以存储15到25倍的能量，使电池系统足够小，可用于电动汽车，能量密度足以满足汽车的续航里程和快速充电。这是美国国防部高级研究计划局（DARPA）战略技术办公室正在推行的一个项目的民用衍生产品，该项目是到2030年提供军用全电动供应车和到2050年满足电动战术车部署的一部分。
纳米粒子大大增加了液流电池燃料的能量密度，使其适用于电动汽车。CHRIS PHILPOT
使用锂基电池会产生一系列问题。你需要一个充电基础设施，这对美国军方来说意味着需要专门部署，通常是在不适宜居住的地方。然后是充电时间长；热失控的危险，即易发火灾；锂电池的使用寿命相对较短；以及当旧电池不再有用时，获取电池材料并回收它们的困难。减轻这些问题的电池是DARPA的目标。新型液流电池似乎击中了每一个目标。如果它奏效，对交通电气化的好处将是巨大的。
液流电池安全且寿命长
纳米电燃料电池是近一个半世纪前首次提出的氧化还原液流电池的一种新形式。该设计在20世纪中叶恢复了活力，被开发用于月球基地，并进一步改进用于电网储能。
液流电池的电解液使用两种含有离子的化学溶液，一种作为阳极电解液（靠近阳极），另一种作为阴极电解液（靠近阴极）。两种溶液之间的电化学反应推动电子通过电路。典型的氧化还原液流电池使用基于铁铬或钒的离子；后者利用了钒的四种不同离子态。
在反应的机理方面，每种溶液都被连续泵入电池单元的不同侧面。离子通过穿过膜从一种溶液传递到另一种溶液，膜将溶液分开。在电气方面，电流从一个电极流入外部电路，在返回到另一个电极之前循环。电池可以通过两种方式充电：两种溶液可以通过相反方向的电流就地充电，这是传统电池的充电方式；或者用充电后的溶液替换用过的溶液，这种方法的速度很快。
除了在性能和安全性方面击败锂电池外，液流电池也更容易扩大规模：如果你想储存更多的能量，只需增加溶液储罐的尺寸或溶液的浓度。如果你想提供更多的电力，只需将更多的电池堆叠在一起或添加新的电池堆。
伊利诺伊州内珀维尔Volta Energy Technologies的技术负责人、液流电池专家Kara Rodby表示，这种可扩展性使液流电池适用于需要高达100MW的应用。她说，一个例子是平衡电网中的能量流动。
然而，传统的液流电池在给定的体积和质量内只储存很少的能量。它们的能量密度只有锂离子电池的10%。Rodby解释说，这与水溶液可以容纳的物质有关。简单来说，一杯水中能溶解的盐是有限的。
因此，到目前为止，液流电池对于大多数应用来说都太笨重了。为了将它们缩小到足以适应电动汽车，你需要将它们的能量密度至少提高到和锂离子电池差不多。
这个100升的反应容器[橙色]用于制造纳米电燃料液流电池的阳极。Infuit Energy
纳米粒子提高液流电池的能量密度
为液流电池增加容量的一个好方法是使用纳米流体，它将纳米颗粒保持在悬浮状态。这些粒子在电极表面发生氧化还原反应，类似于传统液流电池中溶解离子的反应，但纳米流体的能量密度更高。重要的是，与其他悬浮液（例如水中的沙子）不同，纳米流体被设计为无限期悬浮。这种无限悬浮有助于颗粒在系统中移动并与电极接触。这些颗粒可以占液体重量的80%，同时使其不会比机油更粘稠。
2009年，阿贡国家实验室和伊利诺伊理工学院的研究人员首次研究了悬浮在水基电解质中的纳米流体在这方面的应用。科学家们发现，纳米流体可用于储能潜力接近锂离子电池的系统，并可用于液流电池的可泵送充电。更重要的是，纳米颗粒可以由容易获得的廉价矿物制成，例如分别用于阳极和阴极材料的氧化铁和γ二氧化锰。
此外，由于纳米电燃料是一种水悬浮液，它不会着火或爆炸，如果电池泄漏，这种材料也不会有危险。电池拥有-40°C至80°C的工作温度范围。
2013年，该团队获得了美国能源部高级研究计划局（ARPA-E）为期三年、344万美元的资助，用于建造1KWh纳米电燃料电池原型。原型的成功鼓励了几位主要研究人员，它们成立了一家名为Influit Energy的公司，致力于将该技术商业化。通过额外的政府合同，这家初创公司继续改进该技术的组成部分——纳米电燃料本身、电池架构以及充电和输送系统。
Influit的创始人兼首席执行官John Katsoudas强调了该公司的设计与传统液流电池之间的区别。他说：“我们的新颖之处在于，用纳米流体做其他人已经做过的事情（液流电池）。”
Katsoudas补充道，随着基础科学问题的解决，Influit现在正在开发一种能量密度为每公斤550至850Wh或更高的电池，而标准电动汽车锂离子电池的能量密度为200至350Wh/公斤。该公司预计，更大的版本也将在支持电网方面击败老式的液流电池，因为纳米电燃料可以重复使用，至少与传统的液流电池一样多，能够重复使用10000次或更多，而且可能会更便宜。
这款遥控玩具吉普车由纳米电燃料液流电池供电。Infuit Energy
这张特写显示了玩具吉普车的车载纳米电燃料电池。Infuit Energy
左边是纳米电燃料电池的一个清晰视图，除了前面板外，没有任何包装。Infuit Energy
他说，燃料将根据需要生产，最终达到取代化石燃料的规模。燃料可以像今天的汽油一样通过罐车或现有的升级管道运输到仓库。在仓库里，乏燃料可以用任何来源的电力重新充电——太阳能、风能、水电、核能或化石燃料。充电也可以在加油站或电动汽车内完成。在后一种情况下，充电将像今天的电池电动汽车一样工作。
如果发生罐车失事或管道破裂怎么办？
Katsoudas解释说：“纳米电燃料(NEF)变成了一种糊状物质，然后你可以把它扫掉。”他补充道，“如果你不想等它干了，你可以加更多的水来降低酸度，然后清扫一下就可以了。”
你不想做的就是扔掉那些东西。他说：“收集到的是电池中最有价值的部分。有一些方法可以很容易地将活性材料重组成可以重复使用的新型纳米流体。”
带电液体混合的风险是什么？
Katsoudas说，他们已经证明，直接混合不同的现有阳极电解液和阴极电解液液体只会造成极小的安全隐患，而且由于下一代NEF材料将使用相同的液体，因此风险完全可以降至最低。
电动汽车液流电池的设计
在所有方面，纳米电燃料液流电池似乎都优于锂离子电池用于电动汽车和更大的系统。Influit预计，当前一代纳米电燃料，以及该公司围绕其构建的生产、分配和回收燃料所需的整个生态系统，在电动汽车中使用时的成本应为130美元/KWh。相比之下，锂离子电池的成本约为138美元/KWh。诚然，锂离子电池的成本在几年内应该会降至100美元/KWh以下，但Influit预计其下一代纳米电燃料的成本将进一步下降，降至50至80美元/KWh左右。下一代系统的能量密度应该是目前锂离子系统的5倍。
这对电动汽车来说意味着什么。
如今，一个典型的电动汽车电池的体积与一个装有400升纳米电子燃料的液流电池的体积大致相同。如果纳米颗粒占燃料重量的30%，电动汽车的续航里程将只有105公里。如果将其提高到40%，续航里程将攀升到274公里。如果达到50%，续航里程可达362公里。如果提高到80%，续航里程为724公里（450英里）。这一切的假设都基于存储能量的油箱体积保持不变的情况下。
DARPA战略技术办公室的项目经理Aaron Kofford表示，Influe已经达到了50%的目标，并展示了80%的纳米电燃料。
Kofford说，对于军方来说，纳米电燃料电池比锂离子电池和内燃机具有明显的优势。在军用战车中，保护车辆的化石燃料箱至关重要，但这种额外的保护措施很重，需要车辆有更重的悬架。这种重量反过来又降低了续航里程和有效载荷。锂离子电池本身很重，容易着火，还需要对其进行大量屏蔽，以防止被炮弹击中。
相比之下，纳米电燃料电池是防火的，因此重量和安全问题大大减少。
Kofford说：“在系统层面上，如果我们能采用一种本质上安全的化学物质，我们就不需要在电池中使用那么多的内包装。”他补充道，“它们也不会散发出那么多的热量，所以从远处很难发现这些车辆。”纳米电燃料液流电池的民用应用正在被发现，特别是在航空领域。美国国家航空航天局高级空中机动首席策略师Starr Ginn观察到，电动飞机对消防安全系统的需求减少是一个吸引点。
Ginn说，使用纳米电燃料，“你不需要高功率电缆，也不会有电磁干扰问题。纳米电燃料可以消除这些让建造电动飞机变得困难的因素。”
同样，美国空军研究实验室的转型能力办公室正在评估纳米电燃料如何帮助作战行动。Influit还与一家商业合作伙伴合作，在其电动多功能车系列中试行纳米电燃料液流电池。
锂离子电池具有相当大的领先优势
当然，要实现纳米电燃料(NEF)技术的潜力，还需要做更多的工作。Influit及其政府赞助商预计，还需要两年时间才能将闭环系统的所有部分整合在一起，并在各种应用中证明其价值和可扩展性。Katsoudas说，到2025年或2026年，世界将准备认真研究纳米电燃料液流电池，为零排放汽车、电网备用、电动多功能车等提供动力。
两个可能的障碍阻碍了这项技术的崛起：市场力量和竞争技术。
锂离子电池技术成熟，市场发达。数千亿美元正被投入到各种类型锂电池的开发和改进中，其中大部分投资由政府承担。例如，DARPA、能源部和国家科学基金会正在与许多公司合作，克服锂电池的局限性。欧盟、韩国和其他地方的政府研究机构正在资助类似的研究。为了超越锂技术，英飞凌必须说服财力雄厚的人帮助其扩大规模——也许是来自其自己的物流供应链或电动汽车制造商。
Infuit Energy技术人员组装电池堆。Infuit Energy
其次是技术竞争。锂离子电池一次又一次进步的消息几乎每天都有。中国科学院研究人员的一份报告宣称，锂离子电池的能量密度已经达到711Wh/kg。一家中国制造商声称，一种新的锂锰铁磷酸盐电池化学物质将为电动汽车单次充电1000公里，使用寿命可以达到130年。其他的信息诸如快速充电锂基电池的重大改进，并使其在军用车辆中使用更安全。
然后是非锂基的新电池化学物质，例如钠离子和石墨烯电池。在涉及液态金属技术的电网级电池方面取得了进展，并改进了使用锂硫的传统液流电池技术。
Infuit的其他直接竞争对手包括电子燃料（利用可再生能源从捕获的二氧化碳和水中生产的合成碳基/碳中和燃料）以及液态有机储氢技术。这两种燃料都旨在直接取代化石燃料。Volta的Rodby表示，为了让Influit获得市场采用，该公司需要阐明纳米电燃料(NEF)的“市场差异化因素”是什么。目前，该技术似乎特别适合军事应用，国防部可能愿意为此支付溢价。作为政府中化石燃料的最大用户，仅国防部就可以使Influit Energy扩大到足够的规模。
当然，纳米电燃料可能会在其他应用中找到归宿，如船只、火车或飞机。例如，最大的货运集装箱船运载约1500万升燃料。如果其中一部分是可以持续充电的纳米电燃料，那么就有可能大幅减少船舶的碳足迹。
以往的经验证明，很多优势明显的技术来得太晚或太早，最终却无法取代当前流行的技术。纳米电燃料液流电池似乎优于我们今天所拥有的所有电池技术。也许它会成为历史长河中的那个幸运儿！
（作者：Robert N. Charette）
关于Influit Energy
Influit Energy的创始人是NEF技术的最初发明者，自该技术诞生以来，他们一直在研究此类系统的细微差别。早期研究活动开始于10多年前，是伊利诺伊理工学院（IIT）和阿贡国家实验室（ANL）之间的一项合作基础研究倡议，最初的资金支持很少。初步调查结果有助于获得2014年IIT/ANL ARPA-E联合奖。这些针对NEF技术开发的研究工作表明，作为一家公司，要过渡到产品开发阶段，需要克服明显的挑战。
2017年，Influit Energy获得了NSF第一阶段SBIR项目，随后在2019年获得了DARPA支持的第二阶段SBIR。在这两个项目的过程中，其采用了之前的基础研究成果，设计、建造和演示了第一个36V NEF电池原型，表明它可以为遥控的45磅吉普车供电。
原型的现有设计可以针对特定应用进行进一步优化和定制。Influit Energy已经正式与NEF技术的第一个合作伙伴和潜在客户建立了关系，现在正在开发一种用于在商业EUV平台上进行实际应用测试的平台。多年来，公司的团队和网络不断壮大，包括经验丰富的能源和技术专家以及企业家，以支持其商业化努力。
2017年，美国国家航空航天局与Infuit Energy接洽，以解决专门针对航空航天领域未来电动化的障碍，首先签订了一份小型演示合同，然后公司参与了为期两年的融合航空解决方案（CAS）合作计划，以开发NEF系统演示器。目前，Influit Energy正在与美国国家航空航天局合作开发一个30kW的NEF充电器系统，该系统于2022年底进行了演示。
（素材来自：Infuit Energy 全球液流电池网、全球储能网、新能源网综合）杠杆炒股怎么算
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