边飞边吸碳：MIT研发钠电池颠覆航空动力规则
发布日期：2025/6/5
首图来源：Technology Networks
想象一下，未来的飞机、轮船和火车不再依赖化石燃料，而是靠神奇的“金属燃料”驱动——它能“呼吸”空气发电，还能顺便净化大气中的二氧化碳。
这个看似科幻的构想，如今正在实验室里变为现实。
麻省理工（MIT）的科学家们最近开发出了一种革命性的钠-空气燃料电池，克服了现有钠空气电池的局限性，可以在为区域性航空飞机提供动力的同时，清除地球上的碳排放。
这种燃料电池一端以液态金属钠（一种廉价且广泛存在的金属）为燃料来源，另一端则直接接触空气，获取空气中的氧气作为反应原料。
在两者之间，一层固体陶瓷材料作为电解质，使钠离子可以自由通过；而面向空气的多孔电极则帮助钠与氧气发生化学反应并产生电能。
研究人员利用原型装置进行了一系列实验，证明这款电池的能量密度高达1,200-1,760 Wh/kg，是目前动力电池的五倍以上。该研究成果近日发表在《焦耳》杂志上。
图说：项目组研究成员（部分）合影，右一为课题总负责人Yet-Ming Chiang教授来源：MIT News
随着世界逐渐摆脱化石燃料，电池已成为能源转型的关键组成部分，而锂离子电池则是我们目前拥有的最佳储能解决方案之一。
然而，当我们将目光投向航空领域时，锂离子电池就显得力不从心了。
现实电动航空真正需要的门槛大约是每公斤1000瓦时，而目前电动汽车锂离子电池的最高能量密度约为每公斤300瓦时，远远无法满足需求。
碱金属空气电池因其极高的理论能量密度，长期以来被视为下一代高功率储能方案。过去二十年，学术界已投入大量精力研究这类电池，试图突破现有技术的限制。
但要完全开发出空气电池的潜力并非易事。碱金属空气电池往往需要使用纯氧作为反应物，而且其形成的固体放电产物并不导电，严重影响电池性能。
而麻省理工的研究人员运用相同的基本电化学概念，展示了另一种概念——液态钠金属空气燃料电池，而非普通空气电池。该电池包含液态钠阳极与加湿空气阴极。
钠金属熔点较低，在98°C以上即为液态，很容易加热到熔点。液体钠通过固态电解质（Na-β-氧化铝，一种多铝酸盐陶瓷）与空气阴极分离。
通过对输入的氧气或空气流进行加湿，放电产物氢氧化钠（NaOH）即可被潮解为浓缩的NaOH溶液并连续移除，避免了固态产物导致的电极钝化问题。
图说：传统的金属空气电池（左）与新型钠空气燃料电池（右）结构对比来源：10.1016/j.joule.2025.101962
实验结果显示，在80 mA/cm²电流密度下，电池堆级能量密度达到1,200 Wh/kg（1,295 Wh/L）；在40 mA/cm²下能量密度进一步提升至1,540 Wh/kg（1,760 Wh/L）。
相比传统非水系锂/钠-空气电池，该电池在电流密度（提升8倍）和面积容量（提升6倍）上均有突破。能量和功率密度显著高于其他金属-空气电池。
论文通讯作者、课题总负责人Yet-Ming Chiang教授解释到，单个“电池堆”的发电量接近每公斤1,700瓦时，相当于整个系统发电量超过1,000瓦时，而电动飞机需要的能量密度应该达到每公斤1000瓦时，刚好可以满足需求。
该电池系统通过化学反应为飞机提供动力，而电池放电产生的化学副产品则会从飞机尾部排出，类似于喷气发动机的尾气。
但区别在于，这些尾气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。
燃料电池释放的氧化钠（Na2O）首先会迅速与空气中的湿气发生反应，生成氢氧化钠（NaOH，一种常用于清洁剂的碱类物质）。
氢氧化钠又与大气中的二氧化碳发生反应，生成碳酸钠（Na2CO3），进而生成碳酸氢钠（NaHCO3），也就是我们通常所说的小苏打。
这不仅有助于吸收大气中的二氧化碳，当碳酸氢钠最终进入海洋，还能帮助降低海水酸度，进一步抵消温室气体的影响。
传统上使用氢氧化钠捕获二氧化碳曾被提议作为一种减少碳排放的方法，但就其本身而言，这并不是一个经济的解决方案，因为氢氧化钠这种化合物相对昂贵。
“但在这里，它是一种副产品，” Chiang教授解释说，所以它基本上是免费的，可以不增加任何成本地产生环境效益。
当然，飞机燃料电池放电产生的氢氧化钠也可以被保留下来进行商业使用，比如用于从点源捕获和封存二氧化碳。
图说：钠空气燃料电池生态系统实现航空、铁路和航运电气化来源：10.1016/j.joule.2025.101962
因此，与绿色氢、氨和可持续航空燃料（SAF）相比，钠-空气燃料电池在开放系统（放电产物分散）和封闭系统（产物回收）中均具成本优势，尤其在考虑CO₂捕获价值时。
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。“这正是我们选择金属钠的原因。”
虽然该装置目前还只是一个小型原型，但Chiang教授表示，该系统应该很快可以扩大到实用尺寸，实现商业化。
图说：实验中的钠空气燃料电池结构示意来源：10.1016/j.joule.2025.101962
钠是地壳中第六丰富的元素，成本低廉，资源充足，而且易于提取，这与当今电动汽车电池中使用的锂和其他材料不同。
足够的金属钠产能，为这项技术在全球范围内的广泛应用提供了保障。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，而美国当时的产能为每年20万吨。
“这提醒我们，钠金属曾经在美国大规模生产，并安全地处理和运输，” Chiang教授说。
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。该公司目前位于麻省理工学院的初创企业孵化器“The Engine”内。
该公司最初计划生产一个砖块大小的燃料电池，可提供约1000瓦时的电能，足以驱动一架大型无人机，以验证该概念的实际应用。该团队希望在明年内完成这样的演示。
来源：环球零碳
