铝电池具有电池容量高、安全性高和使用寿命长等优点。相较于传统的锂电池,铝电池的电池容量具有很高的理论上限,且由于铝电池负极金属铝性质稳定、电解液不易燃,所以铝电池即使被穿刺短路也不会发生燃烧、爆炸等危险现象。

——王伟 北京科技大学冶金与生态工程学院教授、博士生导师

◎芶文涵 陈 科

如今,锂离子电池早已融入我们的日常生活,但锂在地壳中的含量较低,因此亟须寻找可替代锂的元素来制备高性能的二次可充电池。作为锂的替代品,铝在地壳中含量丰富,但其化学性质十分活泼,容易形成致密的氧化层,并且作为负极也易于产生铝枝晶,导致电池短路,因此难以实现产业化。

近日,在一项发表于《自然》的研究中,为了研制无枝晶的高性能铝电池,来自北京大学、美国麻省理工学院等机构的研究人员合作研发出了一种由无机氯化物(氯化钠—氯化钾—氯化铝)组成的低熔点熔盐电解质,以此替代当前普遍使用的离子液体电解质。

据悉,氯化钠—氯化钾—氯化铝电解质中的铝电极具有抗枝晶生长的特性,电极表面呈现出明确的切面而没有尖锐的枝晶。这项研究为未来铝电池的开发提供了新的思路。

相较于锂电池具有众多优势

铝电池是以金属铝为负极,氯铝酸基熔盐或离子液体为电解质,负极上发生铝的沉积/剥离,正极上发生氯铝酸根离子或铝离子嵌入/脱出或发生转化反应,从而实现电荷存储和释放的电池。

“铝电池具有电池容量高、安全性高和使用寿命长等优点。”北京科技大学冶金与生态工程学院教授、博士生导师王伟介绍说,相较于传统的锂电池,铝电池具有众多优势,由于铝的理论质量比容量为2.98安时/克,仅次于锂;理论体积比容量为8.05安时/立方厘米,在所有金属中排名第一,因此铝电池的电池容量具有很高的理论上限,且由于铝电池负极金属铝性质稳定、电解液不易燃,所以铝电池即使被穿刺短路也不会发生燃烧、爆炸等危险现象。

2015年,王伟课题组就研发了以室温离子液体为电解质,石墨为正极,铝为负极的新型非水系铝电池。此电池体系具备高达2伏的放电电压,且具有优异的循环稳定性和倍率性能,展现出了巨大的实用化潜力。此后,非水系铝电池逐渐成为世界范围内储能领域的研究热点。

然而在后续的研究过程中,相关科研人员发现,受限于离子液体电解质极强的酸性,溶于电解质中的高容量正极材料通常都存在循环寿命短的问题,再加上离子液体电解质极易吸水、空气稳定性差、易分解,所以电解质的开发便成为了非水系铝电池的重要研究方向。

“此次最新研究,通过使用一种低熔点的无机氯化物熔盐电解质,成功替代当前普遍使用的离子液体电解质,实现了铝电池的高倍率运行、低电压极化及高能量效率。”王伟表示,由于低熔点熔盐电解质的热稳定性高、不可燃,解决了大规模集成系统安全性方面的难题。“从室温离子液体电解质的开发,到现在一系列高电压、高容量铝电池体系的构建,大量的研究成果推动着非水系铝电池向着实用化迈进。”他说。

铝电池仍有“美中不足”之处

尽管铝电池有很好的应用前景,近年来也取得了显著的突破,但其反应动力学不足、能量密度低、部分体系容量衰减严重等缺点仍有待改善。

据悉,在使用离子液体电解液的铝电池体系下,基于嵌入/脱嵌反应机制的石墨材料具有有限的可逆容量,会导致电池整体能量密度较低;基于转化型反应机制的硫等正极材料,在较低的温度下运行,表现出了高比容量的特性,然而却具有电池反应动力学缓慢、充放电电压极化大、充放电倍率性能差、循环寿命短等缺点,会极大降低电池的能量效率。

“非水可充电铝离子电池正极材料通常会面临低电导率以及结构解体的难题。”王伟介绍道,嵌入型材料在循环过程中发生的体积变化,除了使材料导电性变差之外,还会导致电极溶胀解体、活性物质粉化等。此外,嵌入型过渡金属化合物仍存在放电电压低、容量低、容量衰减快的问题,比锂离子电池严重得多。转化型材料普遍面临着反应不可逆和库仑效率(在给定的条件下,电池放电过程所放出电荷数占充电过程所输入电荷数的百分比)低等问题,且电池放电容量在最初的几次循环后急剧下降,表现出快速的容量衰减和较差的循环稳定性。

同时,作为负极材料的铝,其电极表面存在钝化层,会降低电池的电压和效率;铝的严重腐蚀,也会导致不可逆的铝消耗,从而降低铝电极的利用率;并且在循环过程中的铝枝晶生长,还会降低电池的安全性和循环寿命。

王伟表示,当前非水可充电铝离子电池商业化的一些障碍还包括缺乏廉价、耐腐蚀的集流体和可在酸性AlCl3基电解质中稳定运行的不分解粘结剂。“目前,除玻璃碳、钽、铂等昂贵材料外,可作为集流体的、稳定便宜的材料很少。”他说,在非水可充电铝离子电池中,粘结剂的作用一直被忽视,因此通过对现有粘结剂体系的改性和新型粘结剂的开发来改善电池性能的研究也较少。

铝电池具实际应用前景

据了解,储能技术与新能源应用、电网的发展紧密相连,可以有效提高能源利用效率,并且可以解决偏远地区供电等问题。因此,储能技术是发展新能源无法绕开的关键一环。业内人士认为,储能电池的未来应该在风电和光电产业,其中尤以已经大量布局的风电产业为主。虽然近年来风电产业发展势头迅猛,但由于风力资源具有不稳定性,一直饱受并网的困扰,而储能技术的应用,能够帮助风电场平稳输出,“削峰填谷”。

铝电池的优势在于安全性高、稳定性好、宽温性能优异,因此王伟认为,未来铝电池将与储能系统、特种装备等行业密不可分。

“当今储能装置市场依然保持着较快的发展速度。”王伟表示,预计到2025年,中国仅电化学储能市场功率规模将达到28.6吉瓦,市场份额将高达1287亿元,整个产业的市场规模具备万亿级市场潜力。

电化学储能技术由于具有建设周期短、运营成本低、对环境无影响等特点已经成为电网应用储能技术解决新能源接入的首选方案。目前,锂离子电池以其较高的能量密度特性,在电化学储能技术中占据主导地位。然而,高昂的成本、有限的锂资源和安全性等问题极大地限制了其大规模储能应用。

铝电池由于铝负极低成本、高地壳元素含量、高比容量的特点,被认为是锂离子电池之外的一种极具实际应用前景的电池。更重要的是,铝电池体系具有较高的安全性,新型铝电池实现投产后将会解决大规模集成系统安全性方面的问题。

王伟表示,未来在“双碳”背景下,储能电池标准要更加重视环境、能源、资源效益的提升,构建绿色低碳循环发展标准框架,遵循先立后破、积极有序推进的原则。同时,重视国际合作,做好规则协同,充分考虑不同国家的国情、发展的阶段,最大程度地实现核算规则和核算体系互认,共同推动绿色低碳的发展。 【编辑:邵婉云】

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