當莫妮卡開著她的電動車前往母親家時，車上的電池指示器顯示需要重新充電。她在一個充電站停下來，在加油站刷了信用卡，把噴嘴插入車內，並在5分鐘內將400升用過的奈米液體換成新的。在她等待的過程中，一輛油罐車開過來為充電站補充燃料，交換數萬升充滿電的燃料。莫妮卡關上她的電動車的加油孔，帶著足夠的儲存能量開上高速公路，可以行駛640公里（400英里）。
她的電動車中的電池是液流電池的一種變體，其中用過的電解液被替換而不是重新充電。液流電池安全、穩定、壽命長，且易於補充，非常適合用於平衡電網、提供不間斷電力和作為電力來源的備用電源。
不過，這種電池使用一種全新的液體，稱為奈米電燃料。與同等大小的傳統液流電池相比，它可以儲存多達15至25倍的能量，進而使得電池系統可以更小，方便用於電動車上，並且能量密度足夠高，提供與汽油動力車相同的續航里程和快速加油能力。這是美國國防高級研究計劃署（DARPA）戰略技術辦公室正在推動的一項民用衍生品，該專案是為了到2030年方便軍事部署全電動補給車輛，以及到2050年部署電動戰術車輛的一部分。
使用鋰電池會產生一大堆問題。你需要一個充電基礎設施，對於美國軍方來說，這意味著需要部署很多這樣的充電基礎設施，而且這些地點往往都在在惡劣的地方。然後需要長時間的充電；熱失控火災的危險；鋰電的使用壽命相對較短；當舊電池不再有用時，取得電池材料和回收它們也有很大的困難。DARPA 的目標是開發出能夠緩解這些問題的電池。新型液流電池似乎達到了所有標準。如果成功的話，交通電氣化的好處將是巨大的。
液流電池安全且壽命長
奈米電燃料電池是對還原氧化（redox）液流電池的新形式，這種電池最初於大約在一個半世紀前被提出。該設計在20世紀中期恢復了生命力，被開發用於月球基地的可能用途，並進一步改進用於電網儲存。
液流電池的電池單元使用兩種含有離子的化學溶液，一種作為陽極液（靠近陽極），另一種作為陰極液（靠近陰極）。兩種溶液之間的電化學反應推動電子通過電路。典型的氧化還原液流電池使用基於鐵鉻或釩化學物質的離子；後者利用了釩的四種不同離子態。
在反應的化學方面，每種溶液被連續泵入電池的不同側面。離子透過膜從一種溶液傳遞到另一種溶液，膜使溶液保持分離。在電氣方面，電流從一個電極移動到外部電路，在返回相反的電極之前繞一圈。電池可以透過兩種方式充電：兩種溶液可以透過相反方向移動的電流就地充電，就像傳統電池的充電方式一樣，或者用充電的溶液替換用過的溶液。
除了在性能和安全性方面超越鋰電池之外，液流電池還更容易擴大規模：如果你想儲存更多能量，只需增加溶液儲存罐的大小或溶液的濃度。如果你想提供更多的電力，只需將更多的電池單元堆疊在一起或加入新的堆疊。
Volta能源技術公司位於伊利諾伊州奈珀維爾的技術主管卡拉·羅德比表示，這種可擴充性使液流電池適用於需要高達100兆瓦的應用，卡拉·羅德比是液流電池方面的專家。她舉例說，這樣的應用包括在電力網中平衡能量流。
然而，傳統的液流電池在給定的體積和質量中儲存的能量非常少。它們的能量密度只有鋰離子電池的10％。羅德比解釋說，這與水溶液可以保持的物質量有關。就像你只能在一杯水中溶解那麼多鹽。
因此，到目前為止，液流電池對於大多數應用來說都太笨重了。要使它們縮小到足以適用於電動車，需要將它們的能量密度提高到鋰離子電池的水準。
奈米粒子提高液流電池的能量密度
提高液流電池能量密度的一個好方法是使用奈米流體，它可以將奈米顆粒保持在懸浮狀態。這些粒子在電極表面進行還原氧化反應，類似於傳統液流電池中溶解離子的反應，但奈米流體的能量密度更高。重要的是，奈米流體被設計為無限期地保持懸浮狀態，這與其他懸浮液（例如水中的沙子）不同。這種無限期的懸浮有助於顆粒穿過系統並與電極接觸。粒子可以佔液體重量的高達80％，同時使其不比機油更黏稠。
2009年，阿貢國家實驗室和伊利諾伊理工學院的研究人員首次研究了水基電解質中懸浮的奈米流體在此應用中的使用。科學家發現，奈米流體可用於儲能潛力接近鋰離子電池的系統，並且具有液流電池的可泵送充電功能。更重要的是，奈米級顆粒可以由容易取得、廉價的礦物製成，例如分別用作陽極和陰極材料的氧化鐵和γ二氧化錳。
此外，由於奈米電燃料是水懸浮液，即使電池漏液，它也不會著火或爆炸，材料也不會有害。該電池具有-40°C至80°C的寬工作範圍。
2013年，該團隊獲得了美國能源部能源高級研究計劃署（ARPA-E）提供的為期三年、總計344萬美元的資助，用於建造一個1千瓦時的奈米電燃料電池原型機。原型機的成功鼓勵了幾位主要研究人員創立了一家名為Influit Energy的公司，以商業化這項技術。透過額外的政府合約，這家初創公司繼續改進技術的各個組件——奈米電燃料本身、電池架構以及充電和輸送系統。
Influit公司的創始人兼首席執行長約翰·卡佐達斯強調了他的公司設計和傳統液流電池之間的區別。他表示：「我們的創新之處在於做了其他人已經在液流電池上做過的事情，但是我們是用奈米流體來做。」
卡佐達斯補充說，隨著基礎科學問題的解決，Influit 目前正在開發一種能量密度為每公斤 550 至 850 瓦時或更高的電池，而標準電動車 鋰離子電池的能量密度為200 至350 瓦時/公斤。該公司預計更大版本的電池在支援電網方面也將超越老式液流電池，因為奈米電燃料至少可以重複使用與液流電池一樣多的次數——10,000次或更多次——而且可能會更便宜。
卡佐達斯表示，這種燃料將根據需要製造，最終將達到足以取代化石燃料的規模。這種燃料可以像今天的汽油一樣透過油罐車運輸，或透過現有的管道升級運輸。在儲存站，在儲油站，用過的燃料可以透過任何來源的電力進行再充電，例如太陽能、風能、水力發電、核能，甚至化石燃料都可以。此外，充電也可以在加油站或電動車本身進行。後者的充電方式，就跟現在的電池電動車一樣。
如果發生油罐車事故或管道破裂怎麼辦？
「奈米電燃料會變成一種像糊狀的物質，然後你可以掃起來，」卡佐達斯解釋說。如果你不想等它乾燥，還可以加入更多水以降低酸度，「然後你就可以用市售的吸塵器把它吸起來。」
你不會想把那些東西扔掉。「收集到的東西是電池中最有價值的部分，」他說。「有一些方法可以簡單地將活性材料重組為可重複使用的新奈米流體。」
設計電動車用的液流電池
從各方面來看，奈米電燃料液流電池在電動車和大型系統中的使用似乎都優於鋰離子電池。Influit 預計，當前一代奈米電燃料，以及該公司圍繞其構建的燃料生產、分配和回收所需的整個生態系統，用於電動車時的成本應為 130 美元/千瓦時。相比之下， 鋰離子電池的成本約為 138 美元/kWh。誠然，鋰離子電池的成本將在幾年內降至 100 美元/kWh 以下，但 Influit 預計其下一代奈米電燃料將進一步下降，降至 50 至 80 美元/kWh 左右。下一代系統的能量密度應該是現有鋰離子系統的 5 倍。
這對電動車意味著什麼。
當前的典型電動車（EV）電池所佔空間大約與裝有400升奈米電燃料的液流電池相同。如果奈米粒子佔該燃料重量的30%，則電動車的續航里程僅為105公里。將這一比例提高到40%，續航里程可達到274公里。在50%時，續航里程達到362公里。而在80%時，續航里程可達724公里（450英里）。這一切都是基於液流電池的儲存罐大小保持不變的假設下。
DARPA 戰略技術辦公室的專案經理亞倫·柯福德表示，Influit 已經達到了 50% 的目標，並展示了 80% 的奈米電燃料 。
柯福德指出，對於軍事用途來說，奈米電燃料電池相較於鋰離子電池以及內燃機具有明顯優勢。在軍用戰鬥車輛中，保護車輛的化石燃料箱至關重要，但這種額外的保護措施會增加很多重量，並要求車輛具有更重的懸掛系統。這種重量反過來又會減少續航里程和有效載荷。而鋰離子電池本身就很重，且容易起火，在遭受砲彈擊中時也需要嚴格防護。
相比之下，奈米電燃料電池是防火的，因此重量和安全問題大幅減少。這段影片展示了使用奈米電燃料樣本進行的可燃性測試：
「在系統層面上，如果我們能使用一種本質上安全的化學物質，我們就不需要在電池本身中使用那麼多內部包裝，」柯福德說。他補充說，它們也不會釋放出太多熱量，因此車輛從遠處更難被發現。奈米電燃料液流電池的民用應用也令人期待，特別是在航空領域。NASA高級空中機動首席戰略師斯塔爾·吉恩表示，電動飛機對消防安全系統的需求減少是一個吸引人的因素。
吉恩說，使用奈米電燃料，「你不需要高功率的電纜，你也不會有電磁干擾問題。」 奈米電燃料「不斷勾選掉所有這些使建造電動飛機變得困難的問題。」
同樣地，美國空軍研究實驗室的轉型能力辦公室正在評估奈米電燃料如何在戰鬥行動中提供幫助。Influit還與一家商業夥伴合作，試驗在其電動實用車系列中使用奈米電燃料液流電池。
鋰離子電池有相當大的領先優勢
實現奈米電燃料技術的潛力還需要做更多的工作。Influit及其政府贊助者預計，將需要再花兩年時間來整合一個封閉循環系統的所有部分，並在各種應用中證明其價值和可擴充性。卡佐達斯表示，到2025年或2026年，世界將準備好認真考慮使用奈米電燃料液流電池為零排放車輛、備用電網、電動公用車輛等供電。
有兩個可能的障礙阻礙了這項技術的提升：市場力量和競爭技術。
鋰離子電池是一種成熟的技術，並擁有一個發展的市場。數千億美元正被投入到各類型鋰電池的開發和改進中，政府在很大程度上資助這些投資。例如，DARPA、能源部和國家科學基金會正在與眾多公司合作克服鋰電池的限制。歐盟、韓國和其他地區的政府研究機構也在資助類似的研究。為了超越鋰技術，Influit將必須說服一些財力雄厚的公司幫助其擴大規模，也許來自於其自身的物流供應鏈或電動車製造商。。
技術競爭也是一個挑戰。幾乎每天都有有關鋰離子電池技術取得新進展的消息。中國科學院的研究人員報告稱，他們研發了一種711 Wh/kg的鋰離子電池。一家中國製造商聲稱，新的鋰錳鐵磷電池化學可以讓電動車單次充電行駛1000公里，並且使用壽命達130年。其他公告涉及快速充電的鋰基電池的顯著改進，以及使其更安全地用於軍用車輛。
此外，還有一些非鋰基電池化學，例如鈉離子和基於石墨烯的電池。在液態金屬技術的大型電網電池和利用鋰硫的傳統液流電池技術方面也有進展。
與Influit直接競爭的還包括電子燃料（從捕獲的二氧化碳和水使用可再生電力來源製成的合成碳基和碳中性燃料），以及液態有機氫。這兩種燃料的目的都在直接取代化石燃料。Volta的羅德比表示，為了讓Influit獲得市場接受，該公司需要明確奈米電燃料的「市場差異化」是什麼。目前看來，這項技術特別適合國防部，後者可能願意為此支付溢價。作為政府中最大的化石燃料用戶，國防部本身可能就足以讓Influit Energy實現規模化。
當然，奈米電燃料也可能在其他應用中找到自己的位置，比如船舶、火車或飛機。例如，最大的貨櫃船可攜帶約1500萬升的燃料。如果其中一部分是可以持續充電的奈米電燃料，那麼有可能減少船隻的碳足跡。
有一個豐富的歷史，顯示一些看似優越的技術因為來得太早或太晚而無法取代現有技術。奈米電燃料液流電池似乎優於我們今天所擁有的技術。也許它們會很幸運。
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