在曼哈頓哈萊姆區一間舊倉庫裡，一家能源初創公司擁有一些通常與電池製造無關的裝置——餐廳級攪拌機、義大利麵機，甚至擀麵杖。這家公司希望用這些廚房裝置製造出一些成分，可以將我們熟悉的鹼性電池變成一種廉價的方式，用來儲存來自大型風力發電場的電力。
和許多其他電池初創公司一樣，Urban Electric Power之所以能在哈萊姆區生存下來，目前依賴於城市和州政府的商業發展補助金，以及來自能源高階研究計劃署 (ARPA-E) 的研究資金。但Urban Electric與其他公司不同的地方（除了餐廳裝置）在最近一次與能源部長歐內斯特·莫尼茲參觀新工廠的過程中變得顯而易見——那就是，缺少其他實驗電池商店裡常見的用於保護研究人員的手套箱。“那是因為我們使用的材料非常安全，”初創電池製造商Urban Electric Power的臨時執行長瓦萊里奧·德·安吉利斯說。
這種裝有長而厚的手套，等待著科學家們的手來填充的手套箱，可以保護研究人員免受他們在尋找廉價且穩定的電池過程中使用的腐蝕性、揮發性或其他危險化學品的侵害。但在Urban Electric，年輕的研究人員使用相對穩定、眾所周知且歷史悠久的化學物質：鋅與二氧化錳的結合。用於一次性電池的相同化學物質能否為更大規模部署風能和太陽能等可再生資源掃清道路？
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來自ARPA-E的資金正是為了追求那個古老的能源聖盃：電網級電力儲存。這種儲存可能是實現更多可再生能源發電的關鍵——在陽光不充足或沒有風的時候提供電力——或者只是充分利用現有資源，例如吸收原本會從持續執行的核反應堆中傾瀉出來的電力。“儲存為您提供了巨大的靈活性，”莫尼茲指出，並補充說它還可以透過提供備用電源來幫助提高可靠性和彈性。“問題在於成本。”
因此，ARPA-E 為其電網級可調間歇性排程儲存（Grid-Scale Rampable Intermittent Dispatchable Storage，簡稱GRIDS計劃）的成員（例如Urban Electric Power）設定了一個目標：一種每千瓦時儲存成本低於100美元的大型電池。“我們唯一能想到的辦法就是製造一個大型可充電金霸王，”Urban Electric的創始人兼紐約城市學院能源研究所主任，化學工程師桑喬伊·班納吉說。幾十年來，一次性電池一直使用鋅和錳，鑑於所有元件在所謂的鹼性電池中都使用了這麼長時間，從電極到隔膜的所有成本都非常低，比鋰離子或任何其他型別的電池都要便宜得多。“這可能是可以組裝起來的成本最低的電池。”
當然，一次性電池只能充電一次。為這種電池充電在過去一直很困難，因為鋅會產生缺陷，從而阻止電池工作。
防止這種退化的關鍵原來是流動。對於Urban Electric而言，這意味著在裝有一系列鋅二氧化錳軟包電池的塑膠容器底部，用磁鐵連線的小螺旋槳。風扇迴圈液體，防止缺陷形成，並使離子在電極內和電極外流動。這種液體也很便宜：水。少量水在軟包電池周圍流動產生的對流可以防止在鋅電極上形成被稱為枝晶的微小纖維，枝晶會殺死典型的鹼性電池。“我們使用的流量非常少，”班納吉說。“這真的只是攪拌。”
該團隊還在努力改進錳電極，使用石墨粘合劑來幫助提高其導電性。他們將錳、石墨和異丙醇混合，然後用義大利麵機擠壓出黑色麵糰狀材料，並手工將其擀成條狀。“這就像做義大利麵一樣，”UEP員工大衛·科恩說。
在實驗室的另一側，團隊致力於確保只有鋅沉積在負極上，然後在迴圈之間完全剝離。這個過程是相同的，儘管這裡使用的麵糰是更多的板岩灰色。意麵片的厚度決定了可以儲存的能量。將箔片或雞絲網或蜂窩狀薄片形式的集電器新增到背面，然後將整個裝置晾乾，“通常是過夜”，Urban Electric的高階科學家梅麗莎·梅納德說。目前這是一條定製的電池生產線，這就是為什麼手工製作的電池目前的製造成本約為每千瓦時200美元。
但是Urban Electric Power估計，一旦這種定製流程實現工業化（目標是在2017年實現），其電池可以以大約每千瓦時91美元的成本儲存電網規模的電力。“許多初創公司最終都會遇到障礙，但其中一些不會，”莫尼茲指出。“如果他們可以在一個可製造的系統中將成本降到每千瓦時100美元以下，那將是一個重要的位置。”
替代能源
這不僅僅是為了兆瓦級的儲存。事實上，第一次示範——在僅10個街區之外的紐約城市學院——將使用近900塊電池來幫助當地公用事業公司聯合愛迪生應對全年最高的電力需求，並維持電力質量，例如將電力頻率保持在60赫茲。已經安裝的448塊電池可以處理300安培的輸入和輸出，並且還受到包括紐約州和聯邦政府的各個機構在內的許多其他組織的密切關注。聯合愛迪生正在特別密切地觀察，以瞭解這種廉價的電池陣列是否可以減少在有限（且價格昂貴）的紐約市房地產中建設新變電站的需求。“分散式儲存是維持峰值功率的一種方法，”Urban Electric的德·安吉利斯說，並確保在炎熱的夏日裡，燈光和空調不會出現故障。
“你可以把它放在地下室，”班納吉補充道。“它非常安全。”
如果足夠便宜，這些電池還可以用作發展中國家汙染嚴重的柴油發電機的替代品。就目前而言，即使這些電池中有數百個小螺旋槳在運轉，“房間裡的燈光也要消耗更多的電力，”Urban Electric的首席工程師凱文·加洛韋指出。
一個挑戰是整合：電池如何與構成電力供應的其他機器（例如將電流從交流電 (AC) 轉換為直流電 (DC) 的逆變器）協同工作？需要什麼控制系統來確保電池正常且安全地執行？但最大的挑戰與可能具有顛覆性的其他技術類似：獲得公用事業公司的許可，以連線到美國電網，而這實際上是世界上最大的機器。
根據公司資料，這些電池迄今為止在超過3000次兩小時充電和兩小時放電的迴圈中保持了效能——而新到（仍在設定過程中）的測試架應該會揭示更多資訊。目標是製造出可以持續10,000次或更多迴圈的電池，並且該系統似乎能夠處理持續12分鐘的充電/放電脈衝。這些電池似乎也不偏好特定的充電量來執行。根據Urban Electric的技術和生產副總裁亞歷山大·庫濟斯（Alexander Couzis）的說法，電池在充電20%到78%之間工作方式相同。
這些電池將與其他技術競爭，例如其他電池化學物質、壓縮空氣、熔鹽、飛輪等。美國已經擁有近25吉瓦的儲能容量，幾乎全部以水泵上山的形式存在，這樣當水流回山下時，可以流經渦輪機並重新產生電力。廉價的電池將使能量儲存擺脫地理限制。加利福尼亞州已經頒佈了一項法律，要求州公用事業公司購買1,325兆瓦的此類儲存容量，以應對其不斷增長的可再生能源供應，而美國能源部已經在阿貢國家實驗室建立了聯合能源儲存研究中心。
至於Urban Electric Power，他們的電池是否可以製造和擴充套件，從而在加利福尼亞州或紐約市等地發揮作用，還有待觀察。儘管該領域的一句稍作修改的古老格言是：“騙子，該死的騙子和電池供應商”，但Urban Electric的目標是兌現其承諾。“我們不擅長當騙子，”德·安吉利斯說。“我們只是工程師和企業家的混合體。”