負極是鋁，電解質(zhì)是由NaCl-KCl-AlCl3組成的熔融氯鋁酸鹽。

眾所周知，鋁是地球上最豐富的金屬元素。同時，硫元素、NaCl、KCl、AlCl3也都是常見的化學(xué)物質(zhì)。

并且本次研究表明，即使使用類似食品包裝鋁箔等劣質(zhì)鋁制作負極，也不會影響電池性能。

這些因素都大大降低了電池成本。

其次，作為電解液的堿金屬氯鋁酸鹽熔體比一般熔鹽系統(tǒng)共晶點低得多，約為93oC。

這保證電池在類似110oC的低溫情況下也能運行，同時在使用中還能保持“自熱”，通過恰當(dāng)隔熱就能維持自身溫度。

這意味著不需要主動冷卻系統(tǒng)。

而由于熱效應(yīng)，一般的鋰離子電池都需要冷卻系統(tǒng)，讓電池保持在最佳運行溫度，提高效率。

同時，即使溫度超過500°C，熔鹽電解質(zhì)仍然具有熱穩(wěn)定性和非揮發(fā)性，不會在高溫下汽化導(dǎo)致電池爆炸、起火。

并且，熔鹽電解質(zhì)除了熔點低還有另外一個好處：防止電池短路。

這是因為電解質(zhì)中的Al3+具有去溶劑化的特點，可以防止鋁枝晶生成。

以及最重要的，這種新型電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，因此可以快充。

這又是怎么實現(xiàn)的？

研究原理

論文中主要展示了鋁硒電池和鋁硫電池的性能。

實驗顯示，在NaCl-AlCl3 電解質(zhì)（熔點約為115°C）中，鋁硒電池即使在 180°C 下的放電反應(yīng)也很平穩(wěn)，平均電壓約為0.88V。

同時，在把放電時間縮短至5小時、或者2小時充滿電的速率下，鋁硒電池在50個循環(huán)后也沒有電壓衰減，電池容量能維持在300mAh/g。

當(dāng)滿電時間縮短至18秒，鋁硒電池容量仍保持在75mAh/g。

作為對比，一般鋁金屬電極，電解質(zhì)會使用EMIC–AlCl3（EMIC：1-乙基-3-甲基咪唑氯化物）。

而EMIC–AlCl3電池在滿電時間縮短至6分鐘（10C）及以下時，電池容量已經(jīng)接近于0。

研究人員還通過改變充電速率，發(fā)現(xiàn)鋁硒電池在滿電時間為2小時（C/2）的情況下，可逆容量為520mAh/g；6分鐘時為190mAh/g；18秒時為75mAh/g。

對于鋁硫電池來說，在NaCl–KCl–AlCl3電解質(zhì)中（共晶溫度約為93°C），運行溫度可達110°C，電池容量為525mAh/g。

放電時間恒定在2小時的情況下，鋁硫電池即使充電速率提高，滿電時間縮短至6分鐘，電池容量仍能保持在500mAh/g。

當(dāng)滿電時間縮短至18秒，鋁硫電池容量仍保持在210mAh/g。

相比之下，使用EMIC–AlCl3電池在滿電時間縮短至72秒，溫度升高后，電池容量接近于0。

并且，在論文設(shè)定的循環(huán)方案下，鋁硫電池可在高充電率（滿電時間為6-12分鐘）和超高充電率（滿電時間為36-72秒）下維持數(shù)百個循環(huán)。

同時，熔鹽電解質(zhì)中的Al3+離子沉積在動力學(xué)上占有優(yōu)勢，因此這種新型電池充電比放電更容易實現(xiàn)更高性能。

研究團隊

本文主要由北大的龐全全團隊和麻省理工學(xué)院Sadoway課題組共同完成研究。

研究人員還來自武漢理工大學(xué)、云南大學(xué)、路易斯維爾大學(xué)、滑鐵盧大學(xué)、阿貢國家實驗室等研究機構(gòu)。

論文一作是龐全全，目前是北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院助理教授，和博士生導(dǎo)師。

本科就讀于華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，碩士和博士就讀于滑鐵盧大學(xué)化學(xué)系，以及麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系博士后。

2020年，龐全全受聘于北京大學(xué)工學(xué)院能源與資源工程系。同年，龐全全入選跨學(xué)科領(lǐng)域全球高被引科學(xué)家名單。

△龐全全的部分代表論文

龐全全在鋰硫電池、鋰金屬電池、電解質(zhì)、熔融鹽電化學(xué)等領(lǐng)域共計發(fā)表20余篇論文，刊登在Nature Energy、Joule等化學(xué)及能源期刊上，總引用數(shù)超過7000次。

唐納德·薩多威（Sadoway），是麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系的教授，主要研究非水介質(zhì)中的電化學(xué)，包括熔鹽、低溫電解質(zhì)的物理化學(xué)和電化學(xué)。

2020年，薩多威獲得麻省理工學(xué)院能源計劃提供的種子基金資助。2022年，薩多威憑借液態(tài)金屬電池獲得歐洲發(fā)明家獎。

并且，薩多威和Luis Ortiz共同成立了電池初創(chuàng)公司Avanti，薩多威擔(dān)任首席科學(xué)顧問。公司已獲得這篇鋁-硫?qū)僭仉姵卣撐难芯康膶＠?/p>

在去年4月，公司完成A輪融資，融資金額為810萬美元（約合人民幣5581萬）。

投資公司包括比爾蓋茨的Breakthrough Energy，埃尼集團（世界七大石油集團公司之一）的風(fēng)險投資子公司Eni Next。

薩多威表示，目前公司的首要任務(wù)是證明鋁-硫?qū)僭仉姵乜梢源笠?guī)模運作，然后進行一系列壓力測試，包括運行數(shù)百個充電周期。

除了用作動力電池，較小規(guī)模的鋁-硫?qū)僭仉姵剡€可用于電動汽車充電樁，降低建設(shè)成本和增加充電速度。

并且這種電池也可以為單個家庭或中小型企業(yè)供電，存儲容量約為幾十千瓦時。

薩多威說，這篇研究論文的意義在于提醒人們：

“如果愿意投入時間和金錢，還有比鋰離子電池更好、更便宜、更安全的技術(shù)可供研究?！?/p>

Nature論文原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04983-9