容量高、成本低、更安全 鋁電池或成新能源儲能優(yōu)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(yōu)點。相較于傳統(tǒng)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(zhì)穩(wěn)定、電解液不易燃，所以鋁電池即使被穿刺短路也不會發(fā)生燃燒、爆炸等危險現(xiàn)象。
——王偉 北京科技大學冶金與生態(tài)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(zhì)十分活潑，容易形成致密的氧化層，并且作為負極也易于產(chǎn)生鋁枝晶，導致電池短路，因此難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
近日，在一項發(fā)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(gòu)的研究人員合作研發(fā)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(zhì)，以此替代當前普遍使用的離子液體電解質(zhì)。
據(jù)悉，氯化鈉—氯化鉀—氯化鋁電解質(zhì)中的鋁電極具有抗枝晶生長的特性，電極表面呈現(xiàn)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(fā)提供了新的思路。
相較于鋰電池具有眾多優(yōu)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(zhì)，負極上發(fā)生鋁的沉積/剝離，正極上發(fā)生氯鋁酸根離子或鋁離子嵌入/脫出或發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從而實現(xiàn)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(yōu)點。”北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院教授、博士生導師王偉介紹說，相較于傳統(tǒng)的鋰電池，鋁電池具有眾多優(yōu)勢，由于鋁的理論質(zhì)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(zhì)穩(wěn)定、電解液不易燃，所以鋁電池即使被穿刺短路也不會發(fā)生燃燒、爆炸等危險現(xiàn)象。
2015年，王偉課題組就研發(fā)了以室溫離子液體為電解質(zhì)，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(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，展現(xiàn)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(nèi)儲能領(lǐng)域的研究熱點。
然而在后續(xù)的研究過程中，相關(guān)科研人員發(fā)現(xiàn)，受限于離子液體電解質(zhì)極強的酸性，溶于電解質(zhì)中的高容量正極材料通常都存在循環(huán)壽命短的問題，再加上離子液體電解質(zhì)極易吸水、空氣穩(wěn)定性差、易分解，所以電解質(zhì)的開發(fā)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(zhì)，成功替代當前普遍使用的離子液體電解質(zhì)，實現(xiàn)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(zhì)的熱穩(wěn)定性高、不可燃，解決了大規(guī)模集成系統(tǒng)安全性方面的難題。“從室溫離子液體電解質(zhì)的開發(fā)，到現(xiàn)在一系列高電壓、高容量鋁電池體系的構(gòu)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(yīng)用前景，近年來也取得了顯著的突破，但其反應(yīng)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(jù)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(yīng)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(zhuǎn)化型反應(yīng)機制的硫等正極材料，在較低的溫度下運行，表現(xiàn)出了高比容量的特性，然而卻具有電池反應(yīng)動力學緩慢、充放電電壓極化大、充放電倍率性能差、循環(huán)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(jié)構(gòu)解體的難題。”王偉介紹道，嵌入型材料在循環(huán)過程中發(fā)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(zhì)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(zhuǎn)化型材料普遍面臨著反應(yīng)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(shù)占充電過程所輸入電荷數(shù)的百分比)低等問題，且電池放電容量在最初的幾次循環(huán)后急劇下降，表現(xiàn)出快速的容量衰減和較差的循環(huán)穩(wěn)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(huán)過程中的鋁枝晶生長，還會降低電池的安全性和循環(huán)壽命。
王偉表示，當前非水可充電鋁離子電池商業(yè)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(zhì)中穩(wěn)定運行的不分解粘結(jié)劑。“目前，除玻璃碳、鉭、鉑等昂貴材料外，可作為集流體的、穩(wěn)定便宜的材料很少。”他說，在非水可充電鋁離子電池中，粘結(jié)劑的作用一直被忽視，因此通過對現(xiàn)有粘結(jié)劑體系的改性和新型粘結(jié)劑的開發(fā)來改善電池性能的研究也較少。
鋁電池具實際應(yīng)用前景
據(jù)了解，儲能技術(shù)與新能源應(yīng)用、電網(wǎng)的發(fā)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(qū)供電等問題。因此，儲能技術(shù)是發(fā)展新能源無法繞開的關(guān)鍵一環(huán)。業(yè)內(nèi)人士認為，儲能電池的未來應(yīng)該在風電和光電產(chǎn)業(yè)，其中尤以已經(jīng)大量布局的風電產(chǎn)業(yè)為主。雖然近年來風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，但由于風力資源具有不穩(wěn)定性，一直飽受并網(wǎng)的困擾，而儲能技術(shù)的應(yīng)用，能夠幫助風電場平穩(wěn)輸出，“削峰填谷”。
鋁電池的優(yōu)勢在于安全性高、穩(wěn)定性好、寬溫性能優(yōu)異，因此王偉認為，未來鋁電池將與儲能系統(tǒng)、特種裝備等行業(yè)密不可分。
“當今儲能裝置市場依然保持著較快的發(fā)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(guī)模將達到28.6吉瓦，市場份額將高達1287億元，整個產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模具備萬億級市場潛力。
電化學儲能技術(shù)由于具有建設(shè)周期短、運營成本低、對環(huán)境無影響等特點已經(jīng)成為電網(wǎng)應(yīng)用儲能技術(shù)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(shù)中占據(jù)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(guī)模儲能應(yīng)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(yīng)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(xiàn)投產(chǎn)后將會解決大規(guī)模集成系統(tǒng)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(huán)境、能源、資源效益的提升，構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)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(guī)則協(xié)同，充分考慮不同國家的國情、發(fā)展的階段，最大程度地實現(xiàn)核算規(guī)則和核算體系互認，共同推動綠色低碳的發(fā)展。
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