新型燃料电池每公斤所储能量可能是当今最好的电动汽车电池的三倍，为卡车、飞机或船舶提供了一种轻量化的动力选择。

电池在一定重量下可以存储的电量，正在逐渐接近极限。这对于能源创新以及探索飞机、火车和船舶新型动力解决方案构成了重大障碍。目前，麻省理工学院和来自其他地方的研究人员合作提出了一种可以帮助这些交通系统实现电气化的解决方案。

这并非是普通的电池，而是一种新型燃料电池——与普通电池类似，不过不需充电，而是可以快速补充燃料。在这里，所用燃料是液态金属钠这种廉价易得的商品。电池外面是作为氧原子来源的普通空气。燃料与空气之间是一层作为电解质的固态陶瓷材料，钠离子可从中自由通过；外侧多孔电极则让钠与氧气得以发生化学反应并产生电力。

通过一系列原型实验，研究人员成功证明这种电池每单位重量可携带的能量，是当今几乎所有电动汽车所用锂离子电池的三倍以上。这一研究结果日前已发表在《焦耳》（Joule）杂志上，作者包括麻省理工学院博士生KarenSugano、SunilMair和SaahirGanti-Agrawal，材料科学与工程教授Yet-MingChiang及其他五人。

“我们料想到人们会认为这是一个很疯狂的想法，”京瓷陶瓷蒋教授说。“如果他们不这么认为的话，我反而会有点失望，因为如果人们一开始不觉得某件事是疯狂的，那它可能就不那么具有革命性。”

他表示，这项技术未来很可能会相当具有革命性。特别是在对重量非常敏感的航空领域，这种能量密度的提升可能会是一个突破，最终有望使大规模电动飞行成为可能。

“若想应用于现实中的电动航空，门槛大约是每公斤1千瓦时，”蒋教授说到。而目前电动汽车中的锂离子电池最高仅为约每公斤0.3千瓦时，这远未达到所需指标。他表示，即便达到了每公斤1千瓦时，也并不足以实现跨大陆或跨大西洋飞行。

对于任何已知的化学电池来说，这仍是遥不可及的。但蒋教授表示，若能达到每公斤1千瓦时，将使区域性电动航空成为可能，而这类飞行约占国内航班的80%和航空排放量的30%。

这项技术也能助力其他行业，包括海运和铁路运输。“这些行业都需要非常高的能量密度，而且都需要低成本，”他说道。“这正是钠金属吸引我们的地方。”

过去三十年里，有大量精力被投入到了锂空气或钠空气电池的研究当中，但其始终难以实现完全的可充电。“人们很早就意识到了金属空气电池可以达到的能量密度，这极具吸引力，但却从未将其实现过，”蒋教授说到。

研究人员通过运用相同的基本电化学概念，仅将其改为燃料电池而非普通电池，即可以实用的形式获得具有优势的高能量密度。不同于将载能材料组装后即密封在容器中的普通电池，燃料电池的载能材料是可以反复进出的。

该团队制作了两种不同版本的实验室规模系统原型。一种称为H型电池，两根垂直玻璃管由一根横跨中间的管子连接，管子内含固体陶瓷电解质材料和多孔空气电极。液态钠金属填充在管子的一侧，空气流过另一侧，为中心的电化学反应提供氧气，最终逐渐消耗钠燃料。另一个原型采用水平设计，用一个装有电解质材料的托盘盛放液态钠燃料。促进反应的多孔空气电极固定在托盘底部。

蒋教授说，通过测试严格控制湿度的气流，单个“电池堆”的发电量超过每公斤1500瓦时，在整个系统层面就可使发电量超过1000瓦时。

研究人员设想，在飞机上应用该系统时，包含电池堆（像自助餐厅里的餐盘架一样）的燃料包将被插入燃料电池中；这些包内的金属钠在提供电力时会发生化学反应。产生的化学副产品会从飞机尾部排出，类似于喷气发动机的尾气。

但两者有一个非常大的区别：燃料电池不会产生二氧化碳排放。相反，这些由氧化钠组成的排放物实际上会吸收大气中的二氧化碳。这种化合物会迅速与空气中的水分结合生成氢氧化钠（一种常用于排水管清洁剂的物质），氢氧化钠很容易与二氧化碳结合形成固体物质碳酸钠，碳酸钠又会形成碳酸氢钠，即小苏打。

“从金属钠开始，就会发生一系列自然的级联反应，”蒋教授说。“一切都会自然发生。我们不需对其有任何操作，只要把飞机开好即可。”

另外一个好处是，如果最终的副产品碳酸氢钠进入海洋，它可以帮助降低水的酸度，抵消温室气体的另一个破坏性影响。

已有人建议使用氢氧化钠来捕获二氧化碳，作为一种碳减排的方法，但就其本身而言，由于该化合物过于昂贵，这并非是一个经济的解决方案。“但在这种情况下，作为一种副产品，它完全是免费的，能够在不增加成本的条件下产生环境效益，”蒋教授解释说。

他还表示，重要的是这种新型燃料电池本质上比许多其他类型的电池更安全。钠金属的反应性极强，必须得到妥善保护。与锂电池一样，钠如果暴露在潮湿环境中会发生自燃。“无论什么时候，面对一种能量密度极高的电池，安全性总是需要关心的一大问题，因为一旦两种反应物间的隔膜破裂，就可能导致反应失控，”蒋教授说到。但在这种燃料电池中，一侧完全是空气，“稀薄且有限。因此，你不会看到紧挨在一起的两种高浓度反应物。如果你追求极高的能量密度，出于安全原因，你也会更倾向于选择燃料电池而非普通电池。”

虽然该设备目前仅为一个小的单体电池原型，但蒋教授表示，该系统应该很容易扩大到实用尺寸，实现商业化。研究团队成员已成立了一家名为PropelAero的公司来开发这项技术。该公司目前位于麻省理工学院的初创企业孵化器“TheEngine”内。

生产足够的金属钠，使这项技术在全球范围内广泛应用，应该是切实可行的，因为这种材料以前也曾被大规模生产过。在含铅汽油被淘汰之前，金属钠曾被用来制造添加剂四乙基铅，而美国当时的年产能可达20万吨。“这提醒我们，金属钠也曾被大规模生产，并在美国各地安全地处理和运输，”蒋教授说到。

此外，金属钠的主要来源是氯化钠，即盐，因此它储量丰富，广泛分布在世界各地，且易于提取，不同于当今电动汽车电池中使用的锂和其他材料。

他们所设想的系统包含一个可重复填充的燃料盒，装满液态钠金属，并将其密封。钠金属耗尽后，将被送回加注站，重新注入新的钠。钠的熔点为98摄氏度，略低于水的沸点，因此很容易加热到熔点来给燃料盒重新加注。

最初的计划是生产一个砖块大小的燃料电池，可提供约1千瓦时的电能，足以驱动一架可用于如农业等领域的大型无人机，以验证该概念的实际应用。该团队计划在明年内完成此演示。

菅野（Sugano）在其博士论文中做了大量的实验工作，现在也将就职于这家初创公司。她表示，一个关键的发现是水分在此过程中的重要性。她先用纯氧，然后用空气测试该装置，发现空气中的湿度对于提高电化学反应效率至关重要。潮湿的空气导致钠以液态而非固态的形式产生放电产物，这使得这些产物更容易通过系统中的气流去除。“关键在于，我们可以形成这种液态放电产物，并且可以轻松地将其去除，这与干燥条件下形成的固态放电截然不同，”她说道。

甘蒂-阿格拉瓦尔（GantiAgrawal）提到，该团队汲取了多个工程子领域的知识。例如，目前已有大量关于高温钠的研究，但尚未开发出湿度可控的系统。他表示，“我们在电极设计方面借鉴了燃料电池的研究成果，也借鉴了较早的高温电池研究以及一些新兴的钠空气电池研究，并将它们融合在一起，”这最终帮助团队实现了燃料电池“性能上的巨大提升”。