风能和太阳能是越来越受欢迎的可再生能源。但间歇性问题使它们无法与美国电网广泛连接:它们需要的能量储存系统，在最便宜的情况下，每千瓦小时运行大约100美元，而且只在某些地方运行。
现在麻省理工学院的研究人员已经开发出一种“空气呼吸”电池，这种电池可以在很长时间内储存电能，其成本约为当前技术成本的五分之一，其位置限制和零排放。该电池可用于使零星的可再生能源成为电网更可靠的电力来源。
因为它的阳极，可充电流电池使用的是廉价的，大量的硫在水中溶解。在阴极中，一种空气中的液体盐溶液不断吸收和释放氧气，使电荷在电极间穿梭。流入阴极的氧气会使阳极向外电路放电。流出的氧气将电子送回到阳极，给电池充电。
麻省理工学院材料科学与工程教授，同时也是论文的合著者之一，蒋教授说:“这个电池确实吸入并呼出空气，但它不会像人一样呼出二氧化碳，它会呼出氧气。”这项研究今天发表在了焦耳杂志上。
电池的总化学成本，即阴极、阳极和电解质材料的总价格，大约是锂离子电池等竞争电池成本的1/30。可升级的系统可以用来储存风能或太阳能的电力，可以用几天到整个季节，每千瓦小时20到30美元。
论文的合著者是郑丽，他是麻省理工学院的博士后，现在是弗吉尼亚理工大学的教授;Fikile R.Brushett，雷蒙德a和海伦e圣洛朗的化学工程专业发展教授;研究科学家梁苏;研究生Menghsuan Pan和Kai翔;本科生Joseph M.Valle，Andres Badel和Stephanie L.Eiler。
找到合适的平衡
电池的开发始于2012年，当时蒋加入了能源部联合能源存储研究中心，这是一个为期五年的项目，共有180名研究人员参与了节能技术的合作。而蒋介石则专注于开发一种高效的电池，这种电池可以降低电网规模的能源储存成本。
蒋说，在过去的几十年里，电池的主要问题一直集中在合成材料上，这些材料提供了更大的能量密度，但价格非常昂贵。例如，在手机的锂离子电池中使用最广泛的材料，每一千瓦时的能量储存成本约为100美元。
蒋说:“这就意味着我们可能没有把重点放在正确的事情上，在追求高能源密度的过程中，化学成本不断增加。”他把这个问题带给了麻省理工的其他研究人员。“我们说，如果我们想在太瓦的规模上储存能量，我们就必须使用真正丰富的材料。”
研究人员首先确定了硫的阳极，这是一种广泛存在的天然气和石油精炼的副产品，它的能量密度非常高，在水和空气旁边的每一个存储电荷的成本最低。当时的挑战是找到一种廉价的液态阴极材料，在产生有意义的电荷的同时保持稳定。这似乎是不可能的——直到实验室发现了一个偶然的发现。
在候选名单上有一种叫做高锰酸钾的化合物。如果用作阴极材料，这种化合物就会被“还原”——一种将离子从阳极到阴极的反应，放电电流。然而，高锰酸盐的还原通常是不可能逆转的，这意味着电池将无法再充电。
不过,李。正如预期的那样，逆转失败了。然而，电池实际上是在充电，这是由于阴极的一个意外的氧反应，它完全是在空气中运行的。我说，“等等，你找到了一种可充电的化学方法，用的是不需要阴极化合物的硫?“那是一个啊哈时刻，”蒋说。
利用这一概念，研究小组创造了一种流电池，在这种电池中，电解质通过电极不断地被泵入，并通过一个反应细胞进行充电或放电。电池由一种含有锂或钠离子的多硫化物的液体阳极(聚硫)组成，还有一种液态的阴极(阴极)，由一种含氧的溶解盐组成，由一层膜隔开。
在放电时，电解液将电子释放到一个外部电路中，锂或钠离子会到达阴极。与此同时，为了保持电子的正常，阴极吸收氧气，产生带负电的氢氧根离子。当充电时，这个过程是完全颠倒过来的。氧被从阴极中排出，增加了氢离子，它通过外部电路将电子返回给了电解液。
蒋说:“这是通过将氧气从系统中抽出来，来创造一个电荷平衡。”
由于电池使用的是超低成本材料，因此它的化学成本是所有可充电电池中最低的，即使不是最低的，也能保证长期有效的放电。它的能量密度略低于今天的锂离子电池。
卡内基梅隆大学的机械工程助理教授Venkat Viswanathan说:“这是一种创造性的、有趣的新概念，可能是一种极低成本的网格存储解决方案。”他是卡内基梅隆大学的一名助理教授，他研究能源存储系统。
锂-硫和锂-空气电池——在阴极中使用硫或氧——存在于今天。但Viswanathan说，麻省理工学院的研究的关键创新是将这两个概念结合起来，创造出一个成本更低的电池，具有同等的效率和能量密度。他补充道:“这款设计可以激发你在这个领域的新工作，它能立刻激发你的想象力。”
使可再生能源更可靠
这个原型目前大约有一个咖啡杯的大小。但蒋说，流动电池是高度可伸缩的，而且电池可以被组合成更大的系统。
由于电池可以在几个月的时间里放电，最好的用途可能是储存来自声名狼藉的风能和太阳能的电能。“太阳能的间歇性是每日的，但对于风能来说，它是更长期的间歇，而不是可以预测的。当它不那么容易预测的时候，你需要更多的储备——在较长一段时间内放电电池的能力——因为你不知道什么时候风会回来。”蒋说。他补充说，季节性储存也很重要，尤其是在赤道以北的距离越来越远的地方，那里的日照量在夏季和冬季之间变化得更广。
蒋说，这可能是第一个在成本和能源密度方面进行竞争的技术，用抽水的水力储存系统，为世界各地的可再生能源提供大部分的能源储存，但却受到地理位置的限制。
“像这样的流动电池的能量密度是抽水蓄能电站的500多倍。它也更紧凑，所以你可以想象把它放在任何可再生的地方。”蒋说。
这项研究得到了能源部的支持。
