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——王偉北京科技大學冶金與生態工程學院教授、博士生導師
◎芶文涵陳科
現在，鋰離子電池早已融入我們的日常生活，但鋰在地殼中的含量較低，因而亟須尋找可代替鋰的元從來制備高功能的二次可充電池。作為鋰的代替品，鋁在地殼中含量豐富，但其化學性質非常活潑，容易形成細密的氧化層，而且作為負極也易于產生鋁枝晶，導致電池短路，因而難以完成工業化。
近日，在一項發表于《天然》的研討中，為了研發無枝晶的高功能鋁電池，來自北京大學、美國麻省理工學院等機構的研討人員協作研發出了一種由無機氯化物(氯化鈉—氯化鉀—氯化鋁)組成的低熔點熔鹽電解質，以此代替當時遍及運用的離子液體電解質。
據悉，氯化鈉—氯化鉀—氯化鋁電解質中的鋁電極具有抗枝晶成長的特性，電極表面呈現出明確的切面而沒有尖銳的枝晶。這項研討為未來鋁電池的開發供給了新的思路。
相較于鋰電池具有很多優勢
鋁電池是以金屬鋁為負極，氯鋁酸基熔鹽或離子液體為電解質，負極上產生鋁的堆積/剝離，正極上產生氯鋁酸根離子或鋁離子嵌入/脫出或產生轉化反響，然后完成電荷存儲和開釋的電池。
“鋁電池具有電池容量高、安全性高和運用壽數長等長處。”北京科技大學冶金與生態工程學院教授、博士生導師王偉介紹說，相較于傳統的鋰電池，鋁電池具有很多優勢，因為鋁的理論質量比容量為2.98安時/克，僅次于鋰;理論體積比容量為8.05安時/立方厘米，在所有金屬中排名榜首，因而鋁電池的電池容量具有很高的理論上限，且因為鋁電池負極金屬鋁性質安穩、電解液不易燃，所以鋁電池即便被穿刺短路也不會產生焚燒、爆破等風險現象。
2015年，王偉課題組就研發了以室溫離子液體為電解質，石墨為正極，鋁為負極的新式非水系鋁電池。此電池系統具有高達2伏的放電電壓，且具有優異的循環安穩性和倍率功能，展現出了巨大的實用化潛力。此后，非水系鋁電池逐步成為國際范圍內儲能范疇的研討熱門。
但是在后續的研討進程中，相關科研人員發現，受限于離子液體電解質極強的酸性，溶于電解質中的高容量正極資料一般都存在循環壽數短的問題，再加上離子液體電解質極易吸水、空氣安穩性差、易分解，所以電解質的開發便成為了非水系鋁電池的重要研討方向。
“此次最新研討，經過運用一種低熔點的無機氯化物熔鹽電解質，成功代替當時遍及運用的離子液體電解質，完成了鋁電池的高倍率運行、低電壓極化及高能量功率。”王偉表明，因為低熔點熔鹽電解質的熱安穩性高、不可燃，處理了大規模集成系統安全性方面的難題。“從室溫離子液體電解質的開發，到現在一系列高電壓、高容量鋁電池系統的構建，很多的研討成果推動著非水系鋁電池向著實用化跨進。”他說。
鋁電池仍有“美中不足”之處
盡管鋁電池有很好的使用遠景，近年來也取得了顯著的打破，但其反響動力學不足、能量密度低、部分系統容量衰減嚴重等缺陷仍有待改進。
據悉，在運用離子液體電解液的鋁電池系統下，根據嵌入/脫嵌反響機制的石墨資料具有有限的可逆容量，會導致電池整體能量密度較低;根據轉化型反響機制的硫等正極資料，在較低的溫度下運行，體現出了高比容量的特性，但是卻具有電池反響動力學緩慢、充放電電壓極化大、充放電倍率功能差、循環壽數短等缺陷，會極大下降電池的能量功率。
“非水可充電鋁離子電池正極資料一般會面對低電導率以及結構崩潰的難題。”王偉介紹道，嵌入型資料在循環進程中產生的體積改變，除了使資料導電性變差之外，還會導致電極溶脹崩潰、活性物質粉化等。此外，嵌入型過渡金屬化合物仍存在放電電壓低、容量低、容量衰減快的問題，比鋰離子電池嚴重得多。轉化型資料遍及面對著反響不可逆和庫侖功率(在給定的條件下，電池放電進程所放出電荷數占充電進程所輸入電荷數的百分比)低一級問題，且電池放電容量在開始的幾次循環后急劇下降，體現出快速的容量衰減和較差的循環安穩性。
一起，作為負極資料的鋁，其電極表面存在鈍化層，會下降電池的電壓和功率;鋁的嚴重腐蝕，也會導致不可逆的鋁耗費，然后下降鋁電極的利用率;而且在循環進程中的鋁枝晶成長，還會下降電池的安全性和循環壽數。
王偉表明，當時非水可充電鋁離子電池商業化的一些妨礙還包括缺乏廉價、耐腐蝕的集流體和可在酸性AlCl3基電解質中安穩運行的不分解粘結劑。“現在，除玻璃碳、鉭、鉑等貴重資料外，可作為集流體的、安穩廉價的資料很少。”他說，在非水可充電鋁離子電池中，粘結劑的作用一向被忽視，因而經過對現有粘結劑系統的改性和新式粘結劑的開發來改進電池功能的研討也較少。
鋁電池具實際使用遠景
據了解，儲能技能與新能源使用、電網的開展嚴密相連，能夠有效提高能源利用功率，而且能夠處理偏遠地區供電等問題。因而，儲能技能是開展新能源無法繞開的關鍵一環。業內人士以為，儲能電池的未來應該在風電和光電工業，其中尤以現已很多布局的風電工業為主。盡管近年來風電工業開展勢頭迅猛，但因為風力資源具有不安穩性，一向飽嘗并網的困擾，而儲能技能的使用，能夠幫助風電場平穩輸出，“削峰填谷”。
鋁電池的優勢在于安全性高、安穩性好、寬溫功能優異，因而王偉以為，未來鋁電池將與儲能系統、特種裝備等職業密不可分。
“當今儲能裝置商場仍然保持著較快的開展速度。”王偉表明，估計到2025年，中國僅電化學儲能商場功率規模將達到28.6吉瓦，商場份額將高達1287億元，整個工業的商場規模具有萬億級商場潛力。
電化學儲能技能因為具有建造周期短、運營成本低、對環境無影響等特色現已成為電網使用儲能技能處理新能源接入的首選計劃。現在，鋰離子電池以其較高的能量密度特性，在電化學儲能技能中占據主導地位。但是，高昂的成本、有限的鋰資源和安全性等問題極大地約束了其大規模儲能使用。
鋁電池因為鋁負極低成本、高地殼元素含量、高比容量的特色，被以為是鋰離子電池之外的一種極具實際使用遠景的電池。更重要的是，鋁電池系統具有較高的安全性，新式鋁電池完成投產后將會處理大規模集成系統安全性方面的問題。
王偉表明，未來在“雙碳”背景下，儲能電池規范要愈加注重環境、能源、資源效益的提升，構建綠色低碳循環開展規范框架，遵循先立后破、活躍有序推進的原則。一起，注重國際協作，做好規矩協同，充分考慮不同國家的國情、開展的階段，最大程度地完成核算規矩和核算系統互認，共同推動綠色低碳的開展。
