零碳科技：零排放和碳捕获的钠空气燃料电池

近日，麻省理工学院的研究人员开发了一种革命性的钠空气燃料电池（sodium-air fuel cell），可以替代航空、铁路和海上运输中的重型锂离子电池。

该系统使用液态钠和空气，可提供当前锂离子电池三倍的能量密度，从而有可能实现电动飞机。它不但不排放二氧化碳，甚至还能从空气中捕获二氧化碳，产生小苏打作为副产品。

燃料电池在交通电气化领域的突破

传统电池在为自身重量可以存储多少能量方面开始达到极限。这是电动交通未来的一大障碍，尤其是对于飞机、火车和轮船等高能耗机器。现在，麻省理工学院的一个研究团队及其合作者可能已经找到了一个解决方法。

新设计不是电池，而是燃料电池。像电池一样，它通过化学反应发电，但有一个主要优势：它可以快速充电，而不是缓慢充电。这种特殊的燃料电池使用液态金属钠（一种低成本且广泛可用的材料）作为其能源。另一个原料普通的空气。它们之间的固体陶瓷层有助于钠离子通过，而空气侧的特殊电极会引发产生电能的反应。

能量密度是锂离子电池的三倍

当团队测试原型时，结果非常惊人。钠空气燃料电池每公斤储存的能量是当今电动汽车中使用的锂离子电池的三倍多。这是一个巨大的飞跃。该研究结果于 5 月 27 日发表在《焦耳》杂志上。

用电极和离子导电陶瓷膜修饰的 H 电池，用于进行钠空气燃料电池实验

高能量密度可实现电动飞行

研究团队认为，这项技术似乎确实具有相当革命性的潜力。特别是对于重量尤为关键的航空业来说，能量密度的这种改进可能是最终使电动飞行在大规模上实用的突破。

现实的电动航空真正需要的阈值是每公斤大约 1,000 瓦时，而今天的电动汽车锂离子电池的最高容量约为每公斤 300 瓦时，远未达到所需的水平。即使以每公斤 1,000 瓦时计算，这也不足以实现跨大陆或跨大西洋的航班。

对于任何已知的电池化学成分来说，这仍然遥不可及，不过达到每公斤 1,000 瓦的功率将是支线电动航空的一项使能技术，该航空约占美国国内航班的 80% 和航空排放量的 30%。该技术也可以成为其他行业的推动者，包括海运和铁路运输。

超越电池：金属空气燃料电池的优势

在过去的三十年里，人们为开发锂空气或钠空气电池进行了大量研究，但很难使它们完全充电。

很长一段时间以来，人们就已经意识到金属空气电池可以获得的能量密度，它非常有吸引力，但从未在实践中实现。通过使用相同的基本电化学概念，仅将其制成燃料电池而不是电池，研究人员能够以实际形式获得高能量密度的优势。与电池不同，电池的材料一次组装并密封在容器中，而燃料电池则不同，燃料电池的能量携带材料进出。

该团队制作了该系统的实验室规模原型的两个不同版本。在一个称为 H 电池的容器中，两个垂直玻璃管通过一根横跨中间的管子连接，该管子包含固体陶瓷电解质材料和多孔空气电极。液态钠金属一侧充满管子，空气流经另一侧，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，电解质材料的托盘装有液态钠燃料。促进反应的多孔空气电极固定在托盘底部。

使用湿度水平经过精心控制的气流进行测试，在单个“堆栈”水平上产生每公斤超过 1,500 瓦时的水平，这意味着整个系统水平的水平超过 1,000 瓦时。

零碳排放和碳捕获

研究人员设想，要在飞机上使用该系统，需要将包含电池堆的燃料包（就像自助餐厅的食品托盘架）插入燃料电池中;这些电池组内的钠金属在提供动力时会发生化学转化。它的化学副产品流被释放出来，在飞机的情况下，它会从后部排放出来，这与喷气发动机排除废气没有什么不同。

但有一个非常大的区别：不会产生二氧化碳排放。相反，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，产生氢氧化钠（一种通常用作下水道清洁剂的材料），氢氧化钠很容易与二氧化碳结合，形成固体物质碳酸钠，进而形成碳酸氢钠，也称为小苏打。

系统实验室规模原型示例

作为一个额外的好处，如果最终产品碳酸氢钠最终进入海洋，它可能有助于使水脱酸，抵消温室气体的另一种破坏性影响。

使用氢氧化钠捕获二氧化碳已被提议作为减少碳排放的一种方式，但就其本身而言，它并不是一个经济的解决方案，因为这种化合物太昂贵了。但在这里，它是副产品，所以它基本上是免费的，而且可以产生环境效益。

更安全

重要的是，这种新型燃料电池本质上比许多其他电池更安全。金属钠具有极强的反应性，必须得到很好的保护。与锂电池一样，如果暴露在潮湿环境中，钠会自燃。但在新的燃料电池中，一侧只是空气，它是稀释和有限的。所以不会有两个彼此相邻的浓缩反应物。如果想要真正非常高的能量密度，出于安全原因，使用燃料电池比电池更安全。

虽然该设备到目前为止仅作为小型单单元原型存在，但研究团队表示，该系统应该非常简单，可以扩展到实际规模以进行商业化。研究团队成员已经成立了一家名为 Propel Aero 的公司来开发这项技术。

图为一小瓶液态熔融金属钠

钠：丰富、便宜且易于利用

生产足够的钠金属以实现该技术的广泛、全面的全球实施应该是可行的，因为这种材料以前已经大规模生产过。在含铅汽油还是常态的时候，金属钠被用来制造用作添加剂的四乙基铅，而在美国以每年 200,000 吨的产能生产。这证明钠金属曾经是大规模生产的，并且在美国各地可以得到安全处理和分销。

更重要的是，钠主要来源于氯化钠或盐，因此它与当今电动汽车电池中使用的锂和其他材料不同，它丰富，广泛分布在世界各地，并且易于提取。

可填充“墨盒”和 Drone Power 概念验证

他们设想的系统将使用可再填充的“墨盒”，该“墨盒”将填充液态钠金属并密封。当它耗尽时，它会被送回加注站并装满新鲜的钠。钠在 98 摄氏度时熔化，略低于水的沸点，因此很容易加热到熔点以为“墨盒”加油。

最初，该计划是生产一种砖块大小的燃料电池，可以提供大约 1,000 瓦时的能量，足以为一架大型无人机提供动力，以便以可用于农业等实用形式证明这一概念。该团队希望在明年准备好这样的演示。

航空、铁路和航运电气化的钠空气燃料电池生态系统展望

目前这项技术还处于研发阶段，距离大规模商业应用还有距离。这项技术或许不会在明年就实现飞行应用，但它展现了未来十年电动航空发展的重要潜力。

DOI： 10.1016/j.joule.2025.101962