鋁電池具有電池容量高、安全性高和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。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(fù)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(huì)發(fā)生燃燒、爆炸等危險(xiǎn)現(xiàn)象。
——王偉 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師
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(lái)制備高性能的二次可充電池。作為鋰的替代品,鋁在地殼中含量豐富,但其化學(xué)性質(zhì)十分活潑,容易形成致密的氧化層,并且作為負(fù)極也易于產(chǎn)生鋁枝晶,導(dǎo)致電池短路,因此難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
近日,在一項(xiàng)發(fā)表于《自然》的研究中,為了研制無(wú)枝晶的高性能鋁電池,來(lái)自北京大學(xué)、美國(guó)麻省理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)的研究人員合作研發(fā)出了一種由無(wú)機(jī)氯化物(氯化鈉—氯化鉀—氯化鋁)組成的低熔點(diǎn)熔鹽電解質(zhì),以此替代當(dāng)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(zhǎng)的特性,電極表面呈現(xiàn)出明確的切面而沒(méi)有尖銳的枝晶。這項(xiàng)研究為未來(lái)鋁電池的開(kāi)發(fā)提供了新的思路。
相較于鋰電池具有眾多優(yōu)勢(shì)
鋁電池是以金屬鋁為負(fù)極,氯鋁酸基熔鹽或離子液體為電解質(zhì),負(fù)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(shí)現(xiàn)電荷存儲(chǔ)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。”北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師王偉介紹說(shuō),相較于傳統(tǒng)的鋰電池,鋁電池具有眾多優(yōu)勢(shì),由于鋁的理論質(zhì)量比容量為2.98安時(shí)/克,僅次于鋰;理論體積比容量為8.05安時(shí)/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(fù)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(huì)發(fā)生燃燒、爆炸等危險(xiǎn)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(fù)極的新型非水系鋁電池。此電池體系具備高達(dá)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(shí)用化潛力。此后,非水系鋁電池逐漸成為世界范圍內(nèi)儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
然而在后續(xù)的研究過(guò)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(qiáng)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(wèn)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(kāi)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(guò)使用一種低熔點(diǎn)的無(wú)機(jī)氯化物熔鹽電解質(zhì),成功替代當(dāng)前普遍使用的離子液體電解質(zhì),實(shí)現(xiàn)了鋁電池的高倍率運(yùn)行、低電壓極化及高能量效率。”王偉表示,由于低熔點(diǎn)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(kāi)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(dòng)著非水系鋁電池向著實(shí)用化邁進(jìn)。”他說(shuō)。
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(lái)也取得了顯著的突破,但其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不足、能量密度低、部分體系容量衰減嚴(yán)重等缺點(diǎn)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(jī)制的石墨材料具有有限的可逆容量,會(huì)導(dǎo)致電池整體能量密度較低;基于轉(zhuǎn)化型反應(yīng)機(jī)制的硫等正極材料,在較低的溫度下運(yùn)行,表現(xiàn)出了高比容量的特性,然而卻具有電池反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(diǎn),會(huì)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(huì)面臨低電導(dǎo)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(guò)程中發(fā)生的體積變化,除了使材料導(dǎo)電性變差之外,還會(huì)導(dǎo)致電極溶脹解體、活性物質(zhì)粉化等。此外,嵌入型過(guò)渡金屬化合物仍存在放電電壓低、容量低、容量衰減快的問(wèn)題,比鋰離子電池嚴(yán)重得多。轉(zhuǎn)化型材料普遍面臨著反應(yīng)不可逆和庫(kù)侖效率(在給定的條件下,電池放電過(guò)程所放出電荷數(shù)占充電過(guò)程所輸入電荷數(shù)的百分比)低等問(wèn)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(shí),作為負(fù)極材料的鋁,其電極表面存在鈍化層,會(huì)降低電池的電壓和效率;鋁的嚴(yán)重腐蝕,也會(huì)導(dǎo)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(guò)程中的鋁枝晶生長(zhǎng),還會(huì)降低電池的安全性和循環(huán)壽命。
王偉表示,當(dāng)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(jià)、耐腐蝕的集流體和可在酸性AlCl3基電解質(zhì)中穩(wěn)定運(yùn)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(shuō),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(guò)對(duì)現(xiàn)有粘結(jié)劑體系的改性和新型粘結(jié)劑的開(kāi)發(fā)來(lái)改善電池性能的研究也較少。
鋁電池具實(shí)際應(yīng)用前景
據(jù)了解,儲(chǔ)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(yuǎn)地區(qū)供電等問(wèn)題。因此,儲(chǔ)能技術(shù)是發(fā)展新能源無(wú)法繞開(kāi)的關(guān)鍵一環(huán)。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,儲(chǔ)能電池的未來(lái)應(yīng)該在風(fēng)電和光電產(chǎn)業(yè),其中尤以已經(jīng)大量布局的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)為主。雖然近年來(lái)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛,但由于風(fēng)力資源具有不穩(wěn)定性,一直飽受并網(wǎng)的困擾,而儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用,能夠幫助風(fēng)電場(chǎng)平穩(wěn)輸出,“削峰填谷”。
鋁電池的優(yōu)勢(shì)在于安全性高、穩(wěn)定性好、寬溫性能優(yōu)異,因此王偉認(rèn)為,未來(lái)鋁電池將與儲(chǔ)能系統(tǒng)、特種裝備等行業(yè)密不可分。
“當(dāng)今儲(chǔ)能裝置市場(chǎng)依然保持著較快的發(fā)展速度。”王偉表示,預(yù)計(jì)到2025年,中國(guó)僅電化學(xué)儲(chǔ)能市場(chǎng)功率規(guī)模將達(dá)到28.6吉瓦,市場(chǎng)份額將高達(dá)1287億元,整個(gè)產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模具備萬(wàn)億級(jí)市場(chǎng)潛力。
電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)由于具有建設(shè)周期短、運(yùn)營(yíng)成本低、對(duì)環(huán)境無(wú)影響等特點(diǎn)已經(jīng)成為電網(wǎng)應(yīng)用儲(chǔ)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(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而,高昂的成本、有限的鋰資源和安全性等問(wèn)題極大地限制了其大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用。
鋁電池由于鋁負(fù)極低成本、高地殼元素含量、高比容量的特點(diǎn),被認(rèn)為是鋰離子電池之外的一種極具實(shí)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(shí)現(xiàn)投產(chǎn)后將會(huì)解決大規(guī)模集成系統(tǒng)安全性方面的問(wèn)題。
王偉表示,未來(lái)在“雙碳”背景下,儲(chǔ)能電池標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)框架,遵循先立后破、積極有序推進(jìn)的原則。同時(shí),重視國(guó)際合作,做好規(guī)則協(xié)同,充分考慮不同國(guó)家的國(guó)情、發(fā)展的階段,最大程度地實(shí)現(xiàn)核算規(guī)則和核算體系互認(rèn),共同推動(dòng)綠色低碳的發(fā)展。
原標(biāo)題:鋁電池或成新能源儲(chǔ)能優(yōu)選方案