吸附式热电池可使电动汽车增程40%

今天的电动汽车电池在单次充电下的电力只能供汽车行驶160km 左右，根本没有多余的电力用于车辆制冷或为乘客供暖。气候控制系统可以使车辆的行驶里程降低最高达30%，尤其在夏天影响最大。消费者对里程的担忧依然将降低他们购买电动汽车的积极性，而强迫他们尽量减少空调系统的使用也无法从根本上解决问题。

美国能源高级研究项目局（ARPA-e）正在开展一些研究项目，希望通过创新加热和制冷技术的应用来降低汽车空调系统对已经不堪重负的电池包的电力消耗。其中一些研究工作旨在采用“热电池”技术来开发“热冷系统”，利用热吸附效果来取代传统的机电式蒸气压缩制冷技术。

其中一个系统采用了新的高容量吸附剂，可以在较小的空间里存储大量的制冷剂。制冷剂在系统中流动可以用于制热或制冷。该项目由大学和企业研究人员联合进行，包括麻省理工、加州大学伯克利分校、德克萨斯州大学奥斯汀分校和福特公司。研究人员大约两年前获得了270 万美元的资金赞助，用于开发一个吸附式气候控制系统，可以为电动汽车供热和制冷，从而减少车辆对电化学电池包的消耗。

热电池

“与普通电池一样，热电池也有‘充电’和‘放电’过程，只是热电池提供的是温度差，而不是电压差，”麻省理工机械工程教授，同样也是该项目负责人Evelyn Wang 说道。“我们的目标是开发出一款热电池系统，该电池具有足够的能量密度，可以充当电动汽车中空调系统的角色，这样可以解决目前电动汽车行驶里程的问题。”

她还表示，除了能够储存足够的能量，新的系统还要够小、够轻，可以装到车辆上。她所领导的小组正在与福特保持紧密的合作，共同解决如何满足车辆空间限制问题。计划是在几个月后首个热冷装置原型完成后将其装到福特Focus 电动汽车上进行测试。

“到目前为止，我们已经完成了系统的设计，并开始建立系统原型，然后进行能量密度测试，”她说道。“下一步我们就会提高材料的产量。”

该项目小组的目标是开发一个2.5kW 的电池装置， 制冷量为2.5 kW·h，制热量为4.5kW·h。该装置约重35kg， 所占空间约为30L。如果成功的话，该技术可以使电动汽车的行驶里程延长30-40%。该系统如果效果够高的话，还可以用于混合动力车以及传统内燃机驱动的汽车上，甚至还可以用于楼宇中。

被动热泵

麻省理工博士后Shankar Narayanan 表示，在热电池系统中，储存器中的水被泵送到低压容器中，在这个过程中水会蒸发并吸收热量。这种蒸发制冷的方式可以用来降低进入乘客舱的空气温度。

水蒸气与大表面面积的特殊吸附剂接触，这些吸附剂有大量的细孔。每一个细孔都经过特殊的设计，使其具有非常高的亲水性。这种高容量材料将水蒸气从容器中吸出，同时容器保持较低的压力，这样水就可以不断被吸到容器中，然后蒸发成水蒸气。[page]

Narayanan 继续解释道， 在材料吸收水分子的过程中， 热量就会被释放出来。该热量可以用来加热乘客舱，也可以被热交换器吸收，然后通过散热器释放到大气中。

与传统蒸气冷凝系统不同，新的装置所需电能可忽略不计，因为系统是被动地将蒸发的冷媒水从蒸发器中输送到吸附剂床上的，也就是说不需要蒸气输送或压缩这种外部方式。吸附剂床工作温度约为80℃，而蒸发器工作温度在0 到-5℃之间。

当吸附剂达到饱和的状态时，在电化学电池充电时， 热电池系统就需要再次“充电”。吸附剂再生就是将其加热到200℃以上并维持几个小时，这样水就会被蒸发掉。水蒸气从吸附剂上离开后就会在冷凝器上转变成水，水会被收集到储水器中，为下次循环之用。

新的吸附剂材料

“吸附制冷循环在大型工业系统中非常常见，但是我们的系统工作方式还不一样，”Wang 说道。现有的系统能量转换效率较低，而且体检庞大、笨重。作为热电池， 其所采用的吸附材料性能要更高，这样电池才能够做到能量更高、更紧凑和更轻。

在系统所占空间方面还有一个挑战，就是大多数此类系统都需要独立的容器进行制冷剂的蒸发和压缩，但是研究小组针对这两个步骤将容器简化为了一个。这种一体的冷凝器和蒸发器设计大大节省了空间，可以很快将水蒸气输送到冷凝器表面。为了使储水空间足够大，吸附剂一层层安装在同心片管上，同心片管再安装在蒸发器和冷凝器周围。

麻省理工研究人员开发了一种新的材料，具有非常高的吸附能力。这种材料基于沸石， 一种很容易获取的多微孔铝硅酸盐材料。研究人员通过化学方式将沸石中硅原子链上的部分结构移除，通过这种方式改变了细孔的尺寸，提高了材料的亲水性，创造了一种具有很强的混合型物理/ 化学吸附能力的材料。但是从不利的角度看，这种材料在再生过程中需要高达200℃的热量来蒸发水分。

考虑到高多孔性矿物质导热性不好，研究人员还添加了热导性碳基粘合剂，帮助热量快速地释放。

特制分子

美国能源高级研究项目局赞助的项目还在研究特制分子。这种分子具有非常强的吸附性能。化学教授Omar M. Yaghi 及其在加州大学伯克利分校的同事专注于金属有机骨架（MOF）分子的研究。这种分子的结构可以通过调整来系统地改变其物理性和化学性。

“金属有机骨架的妙处就在于你可以采用不同的连接体来连接金属团簇，”Narayanan 说道。这种方式提供了较大灵活性，材料的细孔尺寸可以随意改变。

金属有机骨架还具备较低的再生温度，有助于提高系统循环工作的效率。