容量高、成本低、更安全 鋁電池或成新能源儲能優選方案
鋁電池具有電池容量高、安全性高和使用壽命長等優點。相較于傳統的鋰電池，鋁電池的電池容量具有很高的理論上限，且由于鋁電池負極金屬鋁性質穩定、電解液不易燃，所以鋁電池即使被穿刺短路也不會發生燃燒、爆炸等危險現象。
——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
如今，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，因此亟須尋找可替代鋰的元素來制備高性能的二次可充電池。作為鋰的替代品，鋁在地一鍵報警呼叫殼中含量豐富，但其化學性質十分活潑，容易形成致密的氧化層，并且作為負極也易于產生鋁枝晶，導致電池短路，因此難以實現產業化。
近日，在一項發表于《自然》的研究中，為了研制無枝晶的高性能鋁電池，來自北京大學、美國麻省理工學院等機構的研究人員合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，以此替代當前普遍使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生長的特性，電極表面呈現出明確的切面而沒有尖銳的枝晶。這項研究為未來鋁電池的開發提供了新的思路。
相較于鋰電池具有眾多優勢
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，負極上發生鋁的沉積/剝離，正極上發生氯鋁酸根離子或鋁離子嵌入/脫出或發生轉化反應，從而實現電荷存儲和釋放的電池。
“鋁電池具有電池容量高、安全性高和使用壽命長等優點。”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，鋁電池具有眾多優勢，由于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，在所有金屬中排名第一，因此鋁電池的電池容量具有很高的理論上限，且由于鋁電池負極金屬鋁性質穩定、電解液不易燃，所以鋁電池即使被穿刺短路也不會發生燃燒、爆炸等危險現象。
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，鋁為負極的新型非水系鋁電池。此電池體系具備高達2伏的放電電壓，且具有優異的循環穩定性和倍率性能，展現出了巨大的實用化潛力。此后，非水系鋁電池逐漸成為世界范圍內儲能領域的研究熱點。
然而在后續的研究過程中，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材料通常都存在循環壽命短的問題，再加上離子液體電解質極易吸水、空氣穩定性差、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究方向。
“此次最新研究，通過使用一種低熔點的無機氯化物熔鹽電解質，成功替代當前普遍使用的離子液體電解質，實現了鋁電池的高倍率運行、低電壓極化及高能量效率。”王偉表示，由于低熔點熔鹽電解質的熱穩定性高、不可燃，解決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、高容量鋁電池體系的構建，大量的研究成果推動著非水系鋁電池向著實用化邁進。”他說。
鋁電池仍有“美中不足”之處
盡管鋁電池有很好的應用前景，近年來也取得了顯著的突破，但其反應動力學不足、能量密度低、部分體系容量衰減嚴重等缺點仍有待改善。
據悉，在使用離子液體電解液的鋁電池體系下，基于嵌入/脫嵌反應機制的石墨材料具有有限的可逆容量，會導致電池整體能量密度較低；基于轉化型反應機制的硫等正極材料，在較低的溫度下運行，表現出了高比容量的特性，然而卻具有電池反應動力學緩慢、充放電電壓極化大、充放電倍率性能差、循環壽命短等缺點，會極大降低電池的能量效率。
“非水可充電鋁離子電池正極材料通常會面臨低電導率以及結構解體的難題。”王偉介紹道，嵌入型材料在循環過程中發生的體積變化，除了使材料導電性變差之外，還會導致電極溶脹解體、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。轉化型材料普遍面臨著反應不可逆和庫侖效率(在給定的條件下視頻對講，電池放電過程所放出電荷數占充電過程所輸入電荷數的百分比)低等問題，且電池放電容量在最初的幾次循環后急劇下降，表現出快速的容量衰減和較差的循環穩定性。
同時，作為負極材料的鋁，其電極表面存在鈍化層，會降低電池的電壓和效率；鋁的嚴重腐蝕，也會導致不可逆的鋁消耗，從而降低鋁電極的利用率；并且在循環過程中的鋁枝晶生長，還會降低電池的安全性和循環壽命。
王偉表示，當前非水可充電鋁離子電池商業化的一些障礙還包括缺乏廉價、耐腐蝕的集流體和可在酸性AlCl3基電解質中穩定運行的不分解粘結劑。“目前，除玻璃碳、鉭、鉑等昂貴材料外，可作為集流體的、穩定便宜的材料很少。”他說，在非水可充電鋁離子電池中，粘結劑的作用一直被忽視，因此通過對現有粘結劑體系的改性和新型粘結劑的開發來改善電池性能的研究也較少。
鋁電池具實際應用前景
據了解，儲能技術與新能源應用、電網的發展緊密相連，可以有效提高能源利用效率，并且可以解決偏遠地區供電等問題。因此，儲能技術是發展新能源無法繞開的關鍵一環。業內人士認為，儲能電池的未來應該在風電和光電產業，其中尤以已經大量布局的風電產業為主。雖然近年來風電產業發展勢頭迅猛，但由于風力資源具有不穩定性，一直飽受并網的困擾，而儲能技術的應用，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、穩定性好、寬溫性能優異，因此王偉認為，未來鋁電池將與儲能系統、特種裝備等行業密不可分。
“當今儲能裝置市場依然保持著較快的發展速度。”王偉表示，預計到2025年，中國僅電化學儲能市場功率規模將達到28.6吉瓦，市場份額將高達1287億元，整個產業的市場規模具備萬億級市場潛力。
電化學儲能技術由于具有建設周期短、運營成本低、對環境無影響等特點已經成為電網應用儲能技術解決新能源接入的首選方案。目前，鋰離子電池以其較高的能量密度特性，在電化學儲能技術中占據主導地位。然而，高昂的成本、有限的鋰資源和安全性等問題極大地限制了其大規模儲能應用。
鋁電池由于鋁負極低成本、高地殼元素含量、高比容量的特點，被認為是鋰離子電池之外的一種極具實際應用前景的電池。更重要的是，鋁電池體系具有較高的安全性，新型鋁電池實現投產后將會解決大規模集成系統安全性方面的問題。
王偉表示，未來在“雙碳”背景下，儲能電池標準要更加重視環境、能源、資源效益的提升，構建綠色低碳循環發展標準框架，遵循先立后破、積極有序推進的原則。同時，重視國際合作，做好規則協同，充分考慮不同國家的國情、發展的階段，最大程度地實現核算規則和核算體系互認，共同推動綠色低碳的發展。
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