在曼哈顿哈莱姆区一间旧仓库里，一家能源初创公司拥有一些通常与电池制造无关的设备——餐厅级搅拌机、意大利面机，甚至擀面杖。这家公司希望用这些厨房设备制造出一些成分，可以将我们熟悉的碱性电池变成一种廉价的方式，用来存储来自大型风力发电场的电力。
和许多其他电池初创公司一样，Urban Electric Power之所以能在哈莱姆区生存下来，目前依赖于城市和州政府的商业发展补助金，以及来自能源高级研究计划署 (ARPA-E) 的研究资金。但Urban Electric与其他公司不同的地方（除了餐厅设备）在最近一次与能源部长欧内斯特·莫尼兹参观新工厂的过程中变得显而易见——那就是，缺少其他实验电池商店里常见的用于保护研究人员的手套箱。“那是因为我们使用的材料非常安全，”初创电池制造商Urban Electric Power的临时首席执行官瓦莱里奥·德·安吉利斯说。
这种装有长而厚的手套，等待着科学家们的手来填充的手套箱，可以保护研究人员免受他们在寻找廉价且稳定的电池过程中使用的腐蚀性、挥发性或其他危险化学品的侵害。但在Urban Electric，年轻的研究人员使用相对稳定、众所周知且历史悠久的化学物质：锌与二氧化锰的结合。用于一次性电池的相同化学物质能否为更大规模部署风能和太阳能等可再生资源扫清道路？
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来自ARPA-E的资金正是为了追求那个古老的能源圣杯：电网级电力存储。这种存储可能是实现更多可再生能源发电的关键——在阳光不充足或没有风的时候提供电力——或者只是充分利用现有资源，例如吸收原本会从持续运行的核反应堆中倾泻出来的电力。“存储为您提供了巨大的灵活性，”莫尼兹指出，并补充说它还可以通过提供备用电源来帮助提高可靠性和弹性。“问题在于成本。”
因此，ARPA-E 为其电网级可调间歇性调度存储（Grid-Scale Rampable Intermittent Dispatchable Storage，简称GRIDS计划）的成员（例如Urban Electric Power）设定了一个目标：一种每千瓦时存储成本低于100美元的大型电池。“我们唯一能想到的办法就是制造一个大型可充电金霸王，”Urban Electric的创始人兼纽约城市学院能源研究所主任，化学工程师桑乔伊·班纳吉说。几十年来，一次性电池一直使用锌和锰，鉴于所有组件在所谓的碱性电池中都使用了这么长时间，从电极到隔膜的所有成本都非常低，比锂离子或任何其他类型的电池都要便宜得多。“这可能是可以组装起来的成本最低的电池。”
当然，一次性电池只能充电一次。为这种电池充电在过去一直很困难，因为锌会产生缺陷，从而阻止电池工作。
防止这种退化的关键原来是流动。对于Urban Electric而言，这意味着在装有一系列锌二氧化锰软包电池的塑料容器底部，用磁铁连接的小螺旋桨。风扇循环液体，防止缺陷形成，并使离子在电极内和电极外流动。这种液体也很便宜：水。少量水在软包电池周围流动产生的对流可以防止在锌电极上形成被称为枝晶的微小纤维，枝晶会杀死典型的碱性电池。“我们使用的流量非常少，”班纳吉说。“这真的只是搅拌。”
该团队还在努力改进锰电极，使用石墨粘合剂来帮助提高其导电性。他们将锰、石墨和异丙醇混合，然后用意大利面机挤压出黑色面团状材料，并手工将其擀成条状。“这就像做意大利面一样，”UEP员工大卫·科恩说。
在实验室的另一侧，团队致力于确保只有锌沉积在负极上，然后在循环之间完全剥离。这个过程是相同的，尽管这里使用的面团是更多的板岩灰色。意面片的厚度决定了可以存储的能量。将箔片或鸡丝网或蜂窝状薄片形式的集电器添加到背面，然后将整个装置晾干，“通常是过夜”，Urban Electric的高级科学家梅丽莎·梅纳德说。目前这是一条定制的电池生产线，这就是为什么手工制作的电池目前的制造成本约为每千瓦时200美元。
但是Urban Electric Power估计，一旦这种定制流程实现工业化（目标是在2017年实现），其电池可以以大约每千瓦时91美元的成本存储电网规模的电力。“许多初创公司最终都会遇到障碍，但其中一些不会，”莫尼兹指出。“如果他们可以在一个可制造的系统中将成本降到每千瓦时100美元以下，那将是一个重要的位置。”
替代能源
这不仅仅是为了兆瓦级的存储。事实上，第一次示范——在仅10个街区之外的纽约城市学院——将使用近900块电池来帮助当地公用事业公司联合爱迪生应对全年最高的电力需求，并维持电力质量，例如将电力频率保持在60赫兹。已经安装的448块电池可以处理300安培的输入和输出，并且还受到包括纽约州和联邦政府的各个机构在内的许多其他组织的密切关注。联合爱迪生正在特别密切地观察，以了解这种廉价的电池阵列是否可以减少在有限（且价格昂贵）的纽约市房地产中建设新变电站的需求。“分布式存储是维持峰值功率的一种方法，”Urban Electric的德·安吉利斯说，并确保在炎热的夏日里，灯光和空调不会出现故障。
“你可以把它放在地下室，”班纳吉补充道。“它非常安全。”
如果足够便宜，这些电池还可以用作发展中国家污染严重的柴油发电机的替代品。就目前而言，即使这些电池中有数百个小螺旋桨在运转，“房间里的灯光也要消耗更多的电力，”Urban Electric的首席工程师凯文·加洛韦指出。
一个挑战是集成：电池如何与构成电力供应的其他机器（例如将电流从交流电 (AC) 转换为直流电 (DC) 的逆变器）协同工作？需要什么控制系统来确保电池正常且安全地运行？但最大的挑战与可能具有颠覆性的其他技术类似：获得公用事业公司的许可，以连接到美国电网，而这实际上是世界上最大的机器。
根据公司数据，这些电池迄今为止在超过3000次两小时充电和两小时放电的循环中保持了性能——而新到（仍在设置过程中）的测试架应该会揭示更多信息。目标是制造出可以持续10,000次或更多循环的电池，并且该系统似乎能够处理持续12分钟的充电/放电脉冲。这些电池似乎也不偏好特定的充电量来运行。根据Urban Electric的技术和生产副总裁亚历山大·库济斯（Alexander Couzis）的说法，电池在充电20%到78%之间工作方式相同。
这些电池将与其他技术竞争，例如其他电池化学物质、压缩空气、熔盐、飞轮等。美国已经拥有近25吉瓦的储能容量，几乎全部以水泵上山的形式存在，这样当水流回山下时，可以流经涡轮机并重新产生电力。廉价的电池将使能量存储摆脱地理限制。加利福尼亚州已经颁布了一项法律，要求州公用事业公司购买1,325兆瓦的此类存储容量，以应对其不断增长的可再生能源供应，而美国能源部已经在阿贡国家实验室建立了联合能源存储研究中心。
至于Urban Electric Power，他们的电池是否可以制造和扩展，从而在加利福尼亚州或纽约市等地发挥作用，还有待观察。尽管该领域的一句稍作修改的古老格言是：“骗子，该死的骗子和电池供应商”，但Urban Electric的目标是兑现其承诺。“我们不擅长当骗子，”德·安吉利斯说。“我们只是工程师和企业家的混合体。”