隨著世界建造越來(lái)越大的風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)經(jīng)濟(jì)的大型備用系統(tǒng)的需求正在快速增長(zhǎng)，以便在太陽(yáng)下山且空氣平靜時(shí)提供電力。對(duì)于大多數(shù)此類應(yīng)用而言，今天的鋰離子電池仍然過(guò)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(jià)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(guó)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(chǔ)，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(shuō)。

除了價(jià)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(yùn)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(jià)、地球資源豐富的金屬。他說(shuō)，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(chǎng)上第二豐富的金屬——實(shí)際上也是地球上最豐富的金屬——是鋁。“所以，我說(shuō)，好吧，讓我們把它做成一個(gè)書擋。它會(huì)是鋁的，”他說(shuō)。

然后決定將鋁與另一個(gè)電極配對(duì)，以及在充電和放電過(guò)程中在兩者之間放置什么樣的電解質(zhì)來(lái)來(lái)回?cái)y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(huì)使用揮發(fā)性、易燃的有機(jī)液體”，這些液體有時(shí)會(huì)導(dǎo)致汽車和鋰離子電池的其他應(yīng)用發(fā)生危險(xiǎn)火災(zāi)，薩多維說(shuō)。他們嘗試了一些聚合物，但最終研究了各種熔點(diǎn)相對(duì)較低的熔鹽——接近水的沸點(diǎn)，而許多鹽的熔點(diǎn)接近 1000 華氏度。他說(shuō)，“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(méi)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(huì)燃燒，”Sadoway 說(shuō)。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)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(jì)每個(gè)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(duì)僅僅因?yàn)槿埸c(diǎn)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(shì)。電池可靠性的最大問(wèn)題之一是枝晶的形成，枝晶是在一個(gè)電極上形成的窄金屬尖峰，最終會(huì)生長(zhǎng)到另一個(gè)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(zhǎng)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(shí)還允許非?？焖俚某潆?，”Sadoway 說(shuō)。“我們以非常高的充電速率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，充電時(shí)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(shuō)，因?yàn)檎麄€(gè)焦點(diǎn)都集中在尋找熔點(diǎn)最低的鹽上，但最終得到的鏈狀氯鋁酸鹽卻能抵抗短路問(wèn)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，”Sadoway 說(shuō)。“我想這對(duì)我們來(lái)說(shuō)是偶然的。”

更重要的是，電池不需要外部熱源來(lái)維持其工作溫度。熱量是通過(guò)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(shí)，你會(huì)產(chǎn)生熱量，這可以防止鹽結(jié)冰。然后，當(dāng)你放電時(shí)，它也會(huì)產(chǎn)生熱量，”Sadoway 說(shuō)。例如，在太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施用于負(fù)載均衡的典型安裝中，“你會(huì)在陽(yáng)光明媚的時(shí)候儲(chǔ)存電力，然后在天黑后取電，你每天都會(huì)這樣做。而且充電-空閑-放電-空閑足以產(chǎn)生足夠的熱量來(lái)保持物體的溫度。”

他說(shuō)，這種新的電池配方非常適合為單個(gè)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(shí)的存儲(chǔ)容量。

對(duì)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(shí)，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(duì)于這項(xiàng)發(fā)明，Sadoway 最近獲得了今年的歐洲發(fā)明家獎(jiǎng)。

Sadoway 說(shuō)，較小規(guī)模的鋁硫電池也將使其適用于電動(dòng)汽車充電站等用途。他指出，當(dāng)電動(dòng)汽車在道路上變得足夠普遍以至于幾輛汽車想要同時(shí)充電時(shí)，就像今天的汽油燃料泵一樣，“如果你試圖用電池來(lái)做到這一點(diǎn)，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?cè)跒樵O(shè)施供電的線路中沒(méi)有那么多安培數(shù)。” 因此，擁有這樣一個(gè)電池系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)電力，然后在需要時(shí)快速釋放它可以消除安裝昂貴的新電源線來(lái)為這些充電器服務(wù)的需要。

這項(xiàng)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(yùn)行，”Sadoway 說(shuō)，然后對(duì)其進(jìn)行一系列壓力測(cè)試，包括運(yùn)行數(shù)百個(gè)充電周期。

基于硫的電池會(huì)冒產(chǎn)生與某些形式的硫相關(guān)的惡臭的風(fēng)險(xiǎn)嗎?沒(méi)有機(jī)會(huì)，Sadoway 說(shuō)。“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(shuō)，如果你試圖在廚房里打開鋰離子電池(請(qǐng)不要在家里嘗試這個(gè)!)，“空氣中的水分會(huì)發(fā)生反應(yīng)，你會(huì)開始產(chǎn)生各種臭味。氣體也是如此。這些都是合理的問(wèn)題，但電池是密封的，它不是一個(gè)開放的容器。所以我不會(huì)擔(dān)心這個(gè)。”

該研究團(tuán)隊(duì)包括來(lái)自中國(guó)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室;和麻省理工學(xué)院。

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