热电池可以高效地把电能转化为热能并长期储存。但要真正把这项技术用在电网规模，就必须有一个经过精心设计的系统，选用能在极端高温下反复循环而不易腐蚀、不因热膨胀开裂、也不发生结构疲劳的材料。
许多现有热电池方案依赖金属管道输送高温气体或熔盐。由麻省理工学院教授 Asegun Henry（SM、博士）创立的 Fourth Power 则采用了不同思路：用熔融金属来传递热量，并把热量储存在碳砖中，从而颠覆了传统材料的使用方式。
Henry 的这一思路让他在 2017 年获得了吉尼斯世界纪录，成为“最高温液体泵”的制造者。这一成就意义重大，因为当材料的绝对温度翻倍、达到白炽发光时，其辐射出的光功率不是简单翻倍，而是提升 16 倍（即温度的四次方关系）。
公司利用热光伏电池来收集这些高温辐射光。热光伏电池的工作原理类似太阳能电池，可以把光直接转化为电能。Henry 和合作者在实验室中展示了一种热光伏电池，其光电转换效率超过 40%，再次刷新纪录。
Fourth Power 正尝试把这些技术整合起来，为电网、电力生产商，以及建设高耗能基础设施（如数据中心）的科技企业提供储能解决方案。Henry 表示，这种热电池可以提供从 10 小时到超过 100 小时的电力输出，而且储能成本显著低于电网级锂离子电池。
目前，公司正在相关工作温度下对系统各个子模块进行循环测试——这些温度接近太阳表面温度的一半，并计划在今年晚些时候推出一个完整集成的示范系统。
“要说明我们的系统为什么比其他方案有大幅改进，关键在于功率密度。”担任 Fourth Power 首席技术官的 Henry 解释说。
“我们意识到，只要把温度提高，就能以更高速率传递热量，从而缩小系统体积。系统变小，所有成本都会随之下降。这就是 Fourth Power 追求极高温度的根本原因。我们的热电池工作温度在 1900 至 2400 摄氏度之间，这让我们在系统平衡成本上节省了大量开支。”
在高温热能上的职业探索
Henry 在麻省理工学院获得硕士和博士学位，之后先后在佐治亚理工学院和 MIT 任教。作为两校的教授，他的研究长期聚焦于热传输、储能、可再生能源以及其他有助于可持续发展和减碳的技术。目前，他是 MIT 机械工程系 George N. Hatsopoulos 热力学教授。
传统的热传输系统多采用铁、镍等金属材料。通常，所需工作温度越高，金属材料的成本就越高。Henry 注意到，陶瓷在耐高温方面远优于金属，但在工程应用中却远不如金属普及，于是开始追问原因。
“答案其实很直接：陶瓷不能焊接。”Henry 说，“陶瓷没有延展性，失效时往往是灾难性的脆性断裂，这不是我们希望大型工程系统呈现的行为。但除此之外，我没有看到太多问题。”
Henry 花了多年时间，开发出一种由陶瓷和石墨（性质类似陶瓷）构成的泵。2017 年，这台泵以 1200 摄氏度的工作温度创下液体泵世界纪录。泵中输送的是白炽状态的液态锡。之所以选择锡，是因为它不会与碳发生反应，从而避免腐蚀；同时锡的熔点低、沸点高，在较宽的温度区间内都能保持液态。
“我们的想法是，不再用金属去搭建整个系统，而是让液态金属在系统中流动。”Henry 说。
接下来要解决的，就是如何围绕这些材料来设计完整系统。
“传统做法是，机械工程师先画出一个设计，然后说：‘给我最好的材料来实现它。’”Henry 说，“我们则反过来：‘我们已经知道哪些材料在高温下可行，现在要想的是，怎样用这些材料把系统搭起来。’”
2023 年，Henry 结识了曾在苹果负责全球能源业务的 Arvin Ganesan。起初，Ganesan 并不打算加入初创公司——他有两个年幼的孩子，希望把更多精力放在家庭上——但这项技术的潜力最终打动了他。在两人的第一次会面中，他们因为相似的价值观和同为父亲的身份迅速建立起共鸣，而 Henry 还带着自己的孩子一同前来，这让 Ganesan 颇感意外。
“我感觉这项技术有机会同时应对可负担性和气候变化这两大危机。”现任 Fourth Power 首席执行官的 Ganesan 说。
“随着能源需求不断攀升，我们要么部署更深层次、更复杂的新技术（这当然也很重要），要么在现有物理基础上做改进。Fourth Power 想做的是简化物理和热力学原理，提供一种经过长期深入研究、但实现路径更直接的方法。”
Fourth Power 的系统从电网等来源获取多余电力，用来加热一排长约 6 英尺、厚约 20 英寸的石墨砖，直到温度升至约 2400 摄氏度，此时系统就相当于“充满电”。
当客户需要用电时，石墨砖加热液态锡，液态锡再通过一系列石墨管道、泵和流量计流向热光伏电池，把这些白炽高温部件发出的光重新转化为电能。
“你基本上可以把电池‘浸’在光里来发电，或者把它‘拉出来’就相当于关机。”Henry 解释说，“液态金属起始温度是 2400 摄氏度，在系统中流动时不断把能量传给光伏电池，温度逐渐降低，然后再回到石墨块那里，石墨块就像一个炉子，把它重新加热。”
从实验概念到实际公司
今年晚些时候，Fourth Power 计划在其位于马萨诸塞州贝德福德的新总部启动一个 1 兆瓦时级别的系统。按规划的全尺寸系统将具备 25 兆瓦输出功率和 250 兆瓦时储能能力，占地约半个足球场。
“目前储能领域大多数技术的功率密度大约是每英亩 10 兆瓦或更低。”Henry 解释说，“Fourth Power 的系统可以做到每英亩大约 100 兆瓦，功率密度非常高。”
Fourth Power 的功率模块和储能模块都采用模块化设计，客户可以从较小规模起步，之后通过增加储能模块来延长放电时长。公司预计系统每天的总热量损失约为 1%。
“客户可以买一个储能模块配一个功率模块，这就是一套 10 小时电池。”Henry 说，“如果他们要一个功率模块加两个储能模块，那就是 20 小时电池。客户可以自由组合，这对那些随着可再生能源占比上升、储能需求不断变化的公用事业公司来说非常有用。”
未来，这套系统还可以作为发电厂使用，把燃料转化为电力；或者在风光资源不足时，用燃料为电池充电，也可以直接为工业过程提供高温热能。
不过，目前 Fourth Power 的重心仍然放在电池储能应用上。
“公用事业需要的是既便宜又可靠的方案。”Henry 说，“目前唯一在这两点中至少满足一点的，是锂离子电池。但全世界都在期待一种比锂离子更便宜、同时同样可靠甚至更可靠的技术。这正是我们希望向世界证明的东西。”
本文故事由 MIT 新闻（web.mit.edu/newsoffice/）授权转载，该网站报道 MIT 的研究、创新和教学相关内容。
