隨著世界建造越來越大的風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)，對經(jīng)濟(jì)的大型備用系統(tǒng)的需求正在快速增長，以便在太陽下山且空氣平靜時提供電力。對于大多數(shù)此類應(yīng)用而言，今天的鋰離子電池仍然過于昂貴，而抽水蓄能等其他選擇需要特定的地形，而這并不總是可用的。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型電池，完全由豐富且廉價的材料制成，可以幫助填補(bǔ)這一空白。

麻省理工學(xué)院教授 Donald Sadoway 以及麻省理工學(xué)院和中國的其他 15 人在《自然》雜志上描述了這種新的電池架構(gòu)，它使用鋁和硫作為兩種電極材料，中間有熔鹽電解質(zhì)，加拿大、肯塔基州和田納西州。

“我想發(fā)明一種比鋰離子電池更好、更好的東西，用于小型固定存儲，最終用于汽車[用途]，”約翰·F·埃利奧特材料化學(xué)名譽(yù)教授 Sadoway 解釋說。

除了價格昂貴之外，鋰離子電池還含有易燃的電解質(zhì)，使其不太適合運輸。因此，Sadoway 開始研究元素周期表，尋找可能能夠替代鋰的廉價、地球資源豐富的金屬。他說，商業(yè)上占主導(dǎo)地位的金屬鐵不具備適合高效電池的電化學(xué)特性。但市場上第二豐富的金屬——實際上也是地球上最豐富的金屬——是鋁。“所以，我說，好吧，讓我們把它做成一個書擋。它會是鋁的，”他說。

然后決定將鋁與另一個電極配對，以及在充電和放電過程中在兩者之間放置什么樣的電解質(zhì)來來回攜帶離子。所有非金屬中最便宜的是硫，因此成為第二電極材料。至于電解質(zhì)，“我們不會使用揮發(fā)性、易燃的有機(jī)液體”，這些液體有時會導(dǎo)致汽車和鋰離子電池的其他應(yīng)用發(fā)生危險火災(zāi)，薩多維說。他們嘗試了一些聚合物，但最終研究了各種熔點相對較低的熔鹽——接近水的沸點，而許多鹽的熔點接近 1000 華氏度。他說，“一旦你的溫度降到接近體溫，就可以制造不需要特殊絕緣和防腐措施的電池”。

他們最終得到的三種成分既便宜又容易買到——鋁，和超市里的鋁箔沒什么區(qū)別;硫，通常是石油精煉等工藝的廢物;和廣泛可用的鹽。“原料很便宜，而且東西很安全——它不會燃燒，”Sadoway 說。

在他們的實驗中，該團(tuán)隊表明，電池可以以極高的充電率承受數(shù)百次循環(huán)，預(yù)計每個電池的成本約為同類鋰離子電池的六分之一。他們表明，充電速率很大程度上取決于工作溫度，110 攝氏度(230 華氏度)的充電速率是 25 攝氏度(77 華氏度)的 25 倍。

令人驚訝的是，該團(tuán)隊僅僅因為熔點低而選擇熔鹽作為電解質(zhì)，結(jié)果證明它具有偶然的優(yōu)勢。電池可靠性的最大問題之一是枝晶的形成，枝晶是在一個電極上形成的窄金屬尖峰，最終會生長到另一個電極上，從而導(dǎo)致短路并影響效率。但是這種特殊的鹽，它發(fā)生，非常擅長防止這種故障。

他們選擇的氯鋁酸鹽“基本上消除了這些失控的枝晶，同時還允許非常快速的充電，”Sadoway 說。“我們以非常高的充電速率進(jìn)行了實驗，充電時間不到一分鐘，我們從未因枝晶短路而丟失電池。”

“這很有趣，”他說，因為整個焦點都集中在尋找熔點最低的鹽上，但最終得到的鏈狀氯鋁酸鹽卻能抵抗短路問題。“如果我們一開始就試圖防止樹枝狀短路，我不確定我是否知道如何實現(xiàn)這一目標(biāo)，”Sadoway 說。“我想這對我們來說是偶然的。”

更重要的是，電池不需要外部熱源來維持其工作溫度。熱量是通過電池的充電和放電以電化學(xué)方式自然產(chǎn)生的。“當(dāng)你充電時，你會產(chǎn)生熱量，這可以防止鹽結(jié)冰。然后，當(dāng)你放電時，它也會產(chǎn)生熱量，”Sadoway 說。例如，在太陽能發(fā)電設(shè)施用于負(fù)載均衡的典型安裝中，“你會在陽光明媚的時候儲存電力，然后在天黑后取電，你每天都會這樣做。而且充電-空閑-放電-空閑足以產(chǎn)生足夠的熱量來保持物體的溫度。”

他說，這種新的電池配方非常適合為單個家庭或中小型企業(yè)供電所需大小的裝置，產(chǎn)生大約幾十千瓦時的存儲容量。

對于較大的裝置，公用事業(yè)規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)十到數(shù)百兆瓦時，其他技術(shù)可能更有效，包括 Sadoway 和他的學(xué)生幾年前開發(fā)的液態(tài)金屬電池，它構(gòu)成了一家名為 Ambri 的衍生公司的基礎(chǔ)，該公司希望在明年內(nèi)交付其第一批產(chǎn)品。對于這項發(fā)明，Sadoway 最近獲得了今年的歐洲發(fā)明家獎。

Sadoway 說，較小規(guī)模的鋁硫電池也將使其適用于電動汽車充電站等用途。他指出，當(dāng)電動汽車在道路上變得足夠普遍以至于幾輛汽車想要同時充電時，就像今天的汽油燃料泵一樣，“如果你試圖用電池來做到這一點，并且你想要快速充電，那么安培數(shù)只是如此之高，以至于我們在為設(shè)施供電的線路中沒有那么多安培數(shù)。” 因此，擁有這樣一個電池系統(tǒng)來存儲電力，然后在需要時快速釋放它可以消除安裝昂貴的新電源線來為這些充電器服務(wù)的需要。

這項新技術(shù)已經(jīng)成為一家名為 Avanti 的新衍生公司的基礎(chǔ)，該公司已將專利授權(quán)給該系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 Sadoway 和 Luis Ortiz '96 ScD '00 共同創(chuàng)立，后者也是 Ambri 的聯(lián)合創(chuàng)始人。“公司的首要任務(wù)是證明它可以大規(guī)模運行，”Sadoway 說，然后對其進(jìn)行一系列壓力測試，包括運行數(shù)百個充電周期。

基于硫的電池會冒產(chǎn)生與某些形式的硫相關(guān)的惡臭的風(fēng)險嗎?沒有機(jī)會，Sadoway 說。“臭雞蛋味在硫化氫氣體中。這是元素硫，它將被封閉在細(xì)胞內(nèi)。” 他說，如果你試圖在廚房里打開鋰離子電池(請不要在家里嘗試這個!)，“空氣中的水分會發(fā)生反應(yīng)，你會開始產(chǎn)生各種臭味。氣體也是如此。這些都是合理的問題，但電池是密封的，它不是一個開放的容器。所以我不會擔(dān)心這個。”

該研究團(tuán)隊包括來自中國北京大學(xué)、云南大學(xué)和武漢理工大學(xué)的成員;肯塔基州路易斯維爾大學(xué);加拿大滑鐵盧大學(xué);田納西州橡樹嶺國家實驗室;和麻省理工學(xué)院。

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