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——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
现在，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，因而亟须寻找可代替锂的元从来制备高功能的二次可充电池。作为锂的代替品，铝在地壳中含量丰富，但其化学性质非常活泼，容易形成细密的氧化层，而且作为负极也易于产生铝枝晶，导致电池短路，因而难以完成工业化。
近日，在一项发表于《天然》的研讨中，为了研发无枝晶的高功能铝电池，来自北京大学、美国麻省理工学院等机构的研讨人员协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，以此代替当时遍及运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成长的特性，电极表面呈现出明确的切面而没有尖锐的枝晶。这项研讨为未来铝电池的开发供给了新的思路。
相较于锂电池具有很多优势
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，负极上产生铝的堆积/剥离，正极上产生氯铝酸根离子或铝离子嵌入/脱出或产生转化反响，然后完成电荷存储和开释的电池。
“铝电池具有电池容量高、安全性高和运用寿数长等长处。”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，铝电池具有很多优势，因为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，在所有金属中排名榜首，因而铝电池的电池容量具有很高的理论上限，且因为铝电池负极金属铝性质安稳、电解液不易燃，所以铝电池即便被穿刺短路也不会产生焚烧、爆破等风险现象。
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，铝为负极的新式非水系铝电池。此电池系统具有高达2伏的放电电压，且具有优异的循环安稳性和倍率功能，展现出了巨大的实用化潜力。此后，非水系铝电池逐步成为国际范围内储能范畴的研讨热门。
但是在后续的研讨进程中，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资料一般都存在循环寿数短的问题，再加上离子液体电解质极易吸水、空气安稳性差、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讨方向。
“此次最新研讨，经过运用一种低熔点的无机氯化物熔盐电解质，成功代替当时遍及运用的离子液体电解质，完成了铝电池的高倍率运行、低电压极化及高能量功率。”王伟表明，因为低熔点熔盐电解质的热安稳性高、不可燃，处理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、高容量铝电池系统的构建，很多的研讨成果推动着非水系铝电池向着实用化跨进。”他说。
铝电池仍有“美中不足”之处
尽管铝电池有很好的使用远景，近年来也取得了显著的打破，但其反响动力学不足、能量密度低、部分系统容量衰减严重等缺陷仍有待改进。
据悉，在运用离子液体电解液的铝电池系统下，根据嵌入/脱嵌反响机制的石墨资料具有有限的可逆容量，会导致电池整体能量密度较低;根据转化型反响机制的硫等正极资料，在较低的温度下运行，体现出了高比容量的特性，但是却具有电池反响动力学缓慢、充放电电压极化大、充放电倍率功能差、循环寿数短等缺陷，会极大下降电池的能量功率。
“非水可充电铝离子电池正极资料一般会面对低电导率以及结构崩溃的难题。”王伟介绍道，嵌入型资料在循环进程中产生的体积改变，除了使资料导电性变差之外，还会导致电极溶胀崩溃、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。转化型资料遍及面对着反响不可逆和库仑功率(在给定的条件下，电池放电进程所放出电荷数占充电进程所输入电荷数的百分比)低一级问题，且电池放电容量在开始的几次循环后急剧下降，体现出快速的容量衰减和较差的循环安稳性。
一起，作为负极资料的铝，其电极表面存在钝化层，会下降电池的电压和功率;铝的严重腐蚀，也会导致不可逆的铝耗费，然后下降铝电极的利用率;而且在循环进程中的铝枝晶成长，还会下降电池的安全性和循环寿数。
王伟表明，当时非水可充电铝离子电池商业化的一些妨碍还包括缺乏廉价、耐腐蚀的集流体和可在酸性AlCl3基电解质中安稳运行的不分解粘结剂。“现在，除玻璃碳、钽、铂等贵重资料外，可作为集流体的、安稳廉价的资料很少。”他说，在非水可充电铝离子电池中，粘结剂的作用一向被忽视，因而经过对现有粘结剂系统的改性和新式粘结剂的开发来改进电池功能的研讨也较少。
铝电池具实际使用远景
据了解，储能技能与新能源使用、电网的开展严密相连，能够有效提高能源利用功率，而且能够处理偏远地区供电等问题。因而，储能技能是开展新能源无法绕开的关键一环。业内人士以为，储能电池的未来应该在风电和光电工业，其中尤以现已很多布局的风电工业为主。尽管近年来风电工业开展势头迅猛，但因为风力资源具有不安稳性，一向饱尝并网的困扰，而储能技能的使用，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、安稳性好、宽温功能优异，因而王伟以为，未来铝电池将与储能系统、特种装备等职业密不可分。
“当今储能装置商场仍然保持着较快的开展速度。”王伟表明，估计到2025年，中国仅电化学储能商场功率规模将达到28.6吉瓦，商场份额将高达1287亿元，整个工业的商场规模具有万亿级商场潜力。
电化学储能技能因为具有建造周期短、运营成本低、对环境无影响等特色现已成为电网使用储能技能处理新能源接入的首选计划。现在，锂离子电池以其较高的能量密度特性，在电化学储能技能中占据主导地位。但是，高昂的成本、有限的锂资源和安全性等问题极大地约束了其大规模储能使用。
铝电池因为铝负极低成本、高地壳元素含量、高比容量的特色，被以为是锂离子电池之外的一种极具实际使用远景的电池。更重要的是，铝电池系统具有较高的安全性，新式铝电池完成投产后将会处理大规模集成系统安全性方面的问题。
王伟表明，未来在“双碳”背景下，储能电池规范要愈加注重环境、能源、资源效益的提升，构建绿色低碳循环开展规范框架，遵循先立后破、活跃有序推进的原则。一起，注重国际协作，做好规矩协同，充分考虑不同国家的国情、开展的阶段，最大程度地完成核算规矩和核算系统互认，共同推动绿色低碳的开展。
