研究人员找到成本更低更安全的储能电池，只需铝、硫和些许盐

2022-08-25 08:52:06  信息编号：K223238  浏览次数：228

随着全世界越来越多地安装风能和太阳能发电系统，对经济、大规模的备用系统的需求也在迅速增长，以便在太阳落山、空气平静时提供电力。如今的锂离子电池对于大多数此类应用来说仍然过于昂贵，而其他选择，如抽水蓄电，则需要特定的地形条件，而这并不总是可行的。

现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员已经开发出一种新的电池，完全由丰富而廉价的材料制成，这可能有助于填补这一空白。

这种新的电池结构使用铝和硫作为两种电极材料，中间是熔盐电解质。麻省理工学院教授唐纳德·萨德威(Donald Sadoway)和麻省理工学院、中国、加拿大、肯塔基州和田纳西州的15名教授在《自然》(Nature)杂志上发表了一篇论文。

萨多维是约翰·f·艾略特材料化学荣誉教授，他解释说“我想发明一种比锂离子电池更好的东西，用于小规模固定存储，最终用于汽车。”

除了昂贵之外，锂离子电池还含有易燃的电解液，这使得它们不太适合运输。所以，萨多维开始研究元素周期表，寻找便宜的，地球上储量丰富的金属来代替锂。他说，商业上占主导地位的金属铁并不具备高效电池所需的正确电化学性能。但市场上储量第二丰富的金属——实际上也是地球上储量最丰富的金属——是铝。

然后是决定用什么来搭配另一个电极，以及在充电和放电过程中放入什么样的电解质来携带离子。所有非金属中最便宜的是硫，所以它成为了第二种电极材料。至于电解液，我们不准备使用挥发性、易燃的有机液体，因为这种液体有时会在汽车和锂离子电池的其他应用中导致危险的火灾。他们尝试了一些聚合物，但最终研究了各种熔点相对较低的熔盐——接近水的沸点，而许多盐的熔点接近1000华氏度。一旦你的体温降到接近体温的水平，就可以制造出不需要特殊绝缘和防腐措施的电池。

他们最终得到的三种原料都很便宜，很容易买到——铝，和超市里的铝箔没有什么区别;硫，通常是石油炼制过程中的废物;还有广泛使用的盐。原料便宜，而且很安全，不会燃烧。

在他们的实验中，该团队表明，这种电池可以在异常高的充电率下承受数百次循环，每个电池的预计成本约为同类锂离子电池的六分之一。他们发现充电速率与工作温度有很大的关系，110摄氏度(230华氏度)的充电速率是25摄氏度(77华氏度)的25倍。

令人惊讶的是，研究小组选择熔盐作为电解质只是因为它的熔点低，结果证明它有一个偶然的优势。电池可靠性中最大的问题之一是树枝状突起的形成，树枝状突起是一种狭窄的金属尖峰，在一个电极上形成，并最终与另一个电极接触，导致短路并阻碍效率。但是这种特殊的盐，它能很好地防止故障。

Sadoway说，他们选择的氯铝酸盐本质上使这些失控的枝晶消失，同时也允许非常快速的充电。我们在非常高的充电速率下进行了实验，充电时间不到一分钟，而且我们从未因树突短路而损失过细胞。

这很有趣，因为整个焦点都在寻找一种熔点最低的盐，但他们最终得到的连环氯铝酸盐被证明可以抵抗做空问题。萨德威表示“如果我们一开始就努力防止树状卖空，我不确定自己是否知道如何做到这一点。我想这对我们来说是个意外。”

更重要的是，电池不需要外部热源来维持其工作温度。热量是由电池充电和放电自然产生的电化学过程。当你充电时，你会产生热量，这可以防止盐结冰。然后，当你放电时，它也会产生热量。例如，在一个典型的太阳能发电设施中，用于平衡负荷的安装中，你会在阳光明媚的时候储存电力，然后在天黑后使用电力，你每天都要这样做。而这种充电-闲置-放电-闲置的状态足以产生足够的热量来保持物体的温度。

这种新的电池配方非常适合为单个家庭或中小型企业提供电力所需的安装尺寸，存储容量为几十千瓦时。

对于规模更大的装置，比如数十到数百兆瓦时的电力规模，其他技术可能更有效，包括萨多维和他的学生几年前开发的液态金属电池，它是一家名为Ambri的分拆公司的基础，该公司希望在明年交付首批产品。由于这项发明，Sadoway最近被授予了今年的欧洲发明奖。

Sadoway说，铝硫电池的小型化也将使其在电动汽车充电站等方面具有实用性。他指出，当电动汽车在道路上变得足够普遍，几辆汽车都想同时充电时，就像今天汽油燃料泵的情况一样，如果你试图用电池来做这件事，你想要快速充电，电流是如此之高，我们没有那么多电流供给设施。因此，有这样一个电池系统来储存能量，然后在需要时迅速释放，可以省去安装昂贵的新电线来为这些充电器提供服务的需要。

这项新技术已经成为了一家名为Avanti的新衍生公司的基础，该公司已授权该系统的专利，由萨多维和96 ScD’00的路易斯·奥尔蒂斯(Luis Ortiz)共同创立，后者也是Ambri的联合创始人。Sadoway说“公司的首要任务是证明它可以大规模使用。然后对它进行一系列压力测试，包括进行数百次充电循环。”