新型燃料电池可能实现电动航空

这一新概念并非使用电池，而是一种燃料电池——它与电池类似，但可通过快速补充燃料而非充电来恢复能量。该电池采用的燃料是液态金属钠，一种廉价且易获取的原料。电池的另一侧则使用普通空气作为氧原子源。中间层由固态陶瓷材料充当电解质，允许钠离子自由通过；而面向空气的多孔电极则协助钠与氧气发生化学反应从而产生电能。

在原型装置的系列实验中，研究人员证明该电池的单位重量能量密度可达现今几乎所有电动汽车所用锂离子电池的三倍以上。其研究成果发表于今日出版的《焦耳》期刊，论文作者包括麻省理工学院博士生凯伦·菅野、苏尼尔·迈尔、萨希尔·甘地-阿格拉瓦尔，材料科学与工程系教授蒋业明及其他五位合作者。

"我们预料人们会认为这是个完全疯狂的想法，"兼任京瓷陶瓷学讲席教授的蒋业明表示，"若无人质疑，我反而会有些失望——因为若初听不觉颠覆性，其变革潜力恐怕有限。"

他指出这项技术确实具备革命性潜力，尤其在重量至关重要的航空领域。能量密度的显著提升可能成为关键突破，最终实现大规模电动飞行的实用化。

"现实电动航空需要达到约1000瓦时/千克的门槛，"蒋业明强调。当前电动汽车锂离子电池最高仅约300瓦时/千克，远未达标。即便达到1000瓦时/千克，仍不足以支撑跨洲或跨洋飞行。

这对任何已知电池化学体系仍属遥不可及，但蒋业明表示达到1000瓦时/千克将能推动区域性电动航空发展——这类航线占国内航班80%及航空排放量的30%。

该技术同样适用于海运及轨道交通领域。"这些领域都要求超高能量密度和低成本，"他解释道，"这正是金属钠吸引我们的核心优势。"

过去三十年虽在锂空气/钠空气电池领域投入大量研究，但实现完全可充电始终是难题。"学界早已认知金属空气电池的能量密度潜力，其吸引力巨大却从未实用化，"蒋业明指出。

通过沿用相同电化学原理但转为燃料电池设计，研究者以实用形式实现了高能量密度优势。与一次性封装材料的电池不同，燃料电池的能量载体可循环输入输出。

团队开发出两种实验室级原型系统：其一是"H型池"，两垂直玻璃管经中部连通管衔接，内含固态陶瓷电解质与多孔空气电极。液态金属钠填充单侧管体，空气流经另一侧为中央电化学反应供氧，逐步消耗钠燃料。另一原型采用水平设计，电解槽托盘承载液态钠燃料，促进反应的多孔空气电极固定于托盘底部。

经湿度严格控制的空气流测试显示，单电堆单元能量密度近1700瓦时/千克，蒋业明表示全系统级将突破1000瓦时/千克。

研究团队构想飞机应用场景：含多电堆单元的燃料包（类似餐厅餐盘架）可插入燃料电池组；燃料包内金属钠在供电过程中发生化学转化。其化学反应副产物持续排出，在航空应用中类似喷气发动机尾气向后排放。

但存在本质差异：全程零二氧化碳排放。排放物氧化钠反而会吸收大气中的二氧化碳。该化合物迅速结合空气中的水分形成氢氧化钠（常用管道疏通剂），随即与二氧化碳结合生成固态碳酸钠，最终转化为碳酸氢钠（即小苏打）。

"从金属钠开始的反应存在天然级联效应，"蒋业明阐述，"全程自发进行。我们无需干预，只管飞行即可。"

额外益处在于：若终产物碳酸氢钠进入海洋，可帮助降低海水酸度，抵消温室气体的另一危害。

虽然氢氧化钠固碳方案曾被提出，但单独使用成本过高。蒋业明解释："但在此它属于副产物，相当于免费获得环保效益。"

他强调新型燃料电池本质安全性优于多数电池。金属钠活性极强需严密防护，与锂电池类似遇湿可能自燃。"超高能量密度电池始终存在安全隐患，一旦隔离反应物的薄膜破裂就会引发失控反应。但该燃料电池单侧仅为空气——浓度低且有限。两反应物非高浓度直接接触。追求极限能量密度时，出于安全考量燃料电池优于电池。"

尽管目前仅构建出小型单电堆原型，蒋业明认为系统放大至商用规模具有明确路径。团队成员已创立Propel Aero公司推进技术开发，该公司现入驻麻省理工学院创业孵化器The Engine。

大规模生产金属钠支撑全球应用具备可行性：含铅汽油时代曾用钠制造添加剂四乙基铅，美国年产量达20万吨。"这提醒我们金属钠有过大规模安全生产与运输的历史，"蒋业明指出。

更重要的是，钠主要源自氯化钠（食盐），储量丰富且全球分布广泛，提取难度远低于当前电动车电池所需的锂等材料。

其构想系统采用可充填式燃料筒：注入液态金属钠后密封使用。耗尽后可返站补充新钠。钠熔点98摄氏度（略低于水沸点），易于加热熔化实现燃料筒再充填。

初期计划生产砖块大小的燃料电池，输出约1000瓦时能量（足以为大型无人机供电），通过农业等场景验证实用概念。团队目标一年内完成演示验证。

承担主要实验工作的菅野（其博士论文组成部分）表示关键发现在于湿度的重要性：使用纯氧与空气对比测试显示，空气湿度对电化学反应效率具有决定性影响。潮湿空气促使钠产生液态而非固态放电产物，更易被气流带离系统。"核心在于形成液态放电产物并高效排出，避免干燥条件下形成的固态物阻塞，"她解释道。菅野毕业后将加入该初创企业。

甘地-阿格拉瓦尔指出团队融合多工程子领域技术：例如借鉴高温钠研究（但无人探索控湿系统），"我们综合燃料电池的电极设计经验、早期高温电池研究及新兴钠空气电池成果，这种融合促成性能的飞跃式突破"。

研究团队还包括：麻省理工学院暑期实习生（现就读亚利桑那州斯科茨代尔沙漠山高中）奥尔登·弗里森；马萨诸塞州萨默维尔Form Energy公司的凯拉什·拉曼与威廉·伍德福德；加州And Battery Aero公司的夏尚克·斯里帕德；密歇根大学文卡塔苏布拉马尼安·维斯瓦纳坦。研究获美国能源高级研究计划局、突破能源风险投资基金及国家科学基金会资助，并使用MIT.nano实验设施。