動(dòng)力電池的最新研究成果曝光：

僅需18秒，就可實(shí)現(xiàn)充滿。

成本還僅為主流鋰離子電池的六分之一，論文已發(fā)表在Nature雜志上。

這種電池在低溫時(shí)能正常使用、高溫下也能保持穩(wěn)定。

負(fù)責(zé)此項(xiàng)專利技術(shù)的教授之一，已成立一家電池公司，并獲得專利授權(quán)。目前公司已融資810萬(wàn)美元（約合人民幣5581萬(wàn)）。

值得一提的是，包括北京大學(xué)等在內(nèi)的國(guó)內(nèi)高校學(xué)者，也都是這次突破性進(jìn)展的研究團(tuán)隊(duì)成員。

剩下的問(wèn)題：這種快充、成本更低、更安全的電池，會(huì)影響當(dāng)下動(dòng)力電池格局嗎？

什么樣的電池

根據(jù)研究成果，這種雙向、快充鋁-硫?qū)僭仉姵爻杀镜椭撩壳邥r(shí)8.99美元（約合人民幣62元），是目前鋰離子電池成本的12%-16%。

這種電池的預(yù)計(jì)電池極能量密度為526Wh/I，與石墨-NMC622等鋰離子電池能量密度相當(dāng)。

同時(shí)不需要額外的主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，還可以避免熱失控和防止火災(zāi)。

并且?guī)缀醪粫?huì)有枝晶形成，進(jìn)而防止電池短路。

怎么實(shí)現(xiàn)的？

首先，新型電池的原材料儲(chǔ)量豐富，且廉價(jià)。

這種新型電池正極是硫?qū)僭兀热缌蚝臀?/p>

負(fù)極是鋁，電解質(zhì)是由NaCl-KCl-AlCl3組成的熔融氯鋁酸鹽。

眾所周知，鋁是地球上最豐富的金屬元素。同時(shí)，硫元素、NaCl、KCl、AlCl3也都是常見的化學(xué)物質(zhì)。

并且本次研究表明，即使使用類似食品包裝鋁箔等劣質(zhì)鋁制作負(fù)極，也不會(huì)影響電池性能。

這些因素都大大降低了電池成本。

其次，作為電解液的堿金屬氯鋁酸鹽熔體比一般熔鹽系統(tǒng)共晶點(diǎn)低得多，約為93?C。

這保證電池在類似110ºC的低溫情況下也能運(yùn)行，同時(shí)在使用中還能保持“自熱”，通過(guò)恰當(dāng)隔熱就能維持自身溫度。

這意味著不需要主動(dòng)冷卻系統(tǒng)。

而由于熱效應(yīng)，一般的鋰離子電池都需要冷卻系統(tǒng)，讓電池保持在最佳運(yùn)行溫度，提高效率。

同時(shí)，即使溫度超過(guò)500°C，熔鹽電解質(zhì)仍然具有熱穩(wěn)定性和非揮發(fā)性，不會(huì)在高溫下汽化導(dǎo)致電池爆炸、起火。

并且，熔鹽電解質(zhì)除了熔點(diǎn)低還有另外一個(gè)好處：防止電池短路。

這是因?yàn)殡娊赓|(zhì)中的Al3+具有去溶劑化的特點(diǎn)，可以防止鋁枝晶生成。

以及最重要的，這種新型電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，因此可以快充。

這又是怎么實(shí)現(xiàn)的？

研究原理

論文中主要展示了鋁硒電池和鋁硫電池的性能。

實(shí)驗(yàn)顯示，在NaCl-AlCl3 電解質(zhì)（熔點(diǎn)約為115°C）中，鋁硒電池即使在 180°C 下的放電反應(yīng)也很平穩(wěn)，平均電壓約為0.88V。

同時(shí)，在把放電時(shí)間縮短至5小時(shí)、或者2小時(shí)充滿電的速率下，鋁硒電池在50個(gè)循環(huán)后也沒有電壓衰減，電池容量能維持在300mAh/g。

當(dāng)滿電時(shí)間縮短至18秒，鋁硒電池容量仍保持在75mAh/g。

作為對(duì)比，一般鋁金屬電極，電解質(zhì)會(huì)使用EMIC–AlCl3（EMIC：1-乙基-3-甲基咪唑氯化物）。

而EMIC–AlCl3電池在滿電時(shí)間縮短至6分鐘（10C）及以下時(shí)，電池容量已經(jīng)接近于0。

研究人員還通過(guò)改變充電速率，發(fā)現(xiàn)鋁硒電池在滿電時(shí)間為2小時(shí)（C/2）的情況下，可逆容量為520mAh/g；6分鐘時(shí)為190mAh/g；18秒時(shí)為75mAh/g。

對(duì)于鋁硫電池來(lái)說(shuō)，在NaCl–KCl–AlCl3電解質(zhì)中（共晶溫度約為93°C），運(yùn)行溫度可達(dá)110°C，電池容量為525mAh/g。

放電時(shí)間恒定在2小時(shí)的情況下，鋁硫電池即使充電速率提高，滿電時(shí)間縮短至6分鐘，電池容量仍能保持在500mAh/g。

當(dāng)滿電時(shí)間縮短至18秒，鋁硫電池容量仍保持在210mAh/g。

相比之下，使用EMIC–AlCl3電池在滿電時(shí)間縮短至72秒，溫度升高后，電池容量接近于0。

并且，在論文設(shè)定的循環(huán)方案下，鋁硫電池可在高充電率（滿電時(shí)間為6-12分鐘）和超高充電率（滿電時(shí)間為36-72秒）下維持?jǐn)?shù)百個(gè)循環(huán)。

同時(shí)，熔鹽電解質(zhì)中的Al3+離子沉積在動(dòng)力學(xué)上占有優(yōu)勢(shì)，因此這種新型電池充電比放電更容易實(shí)現(xiàn)更高性能。

研究團(tuán)隊(duì)

本文主要由北大的龐全全團(tuán)隊(duì)和麻省理工學(xué)院Sadoway課題組共同完成研究。

研究人員還來(lái)自武漢理工大學(xué)、云南大學(xué)、路易斯維爾大學(xué)、滑鐵盧大學(xué)、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等研究機(jī)構(gòu)。

論文一作是龐全全，目前是北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院助理教授，和博士生導(dǎo)師。

本科就讀于華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，碩士和博士就讀于滑鐵盧大學(xué)化學(xué)系，以及麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系博士后。

2020年，龐全全受聘于北京大學(xué)工學(xué)院能源與資源工程系。同年，龐全全入選跨學(xué)科領(lǐng)域全球高被引科學(xué)家名單。

△龐全全的部分代表論文

龐全全在鋰硫電池、鋰金屬電池、電解質(zhì)、熔融鹽電化學(xué)等領(lǐng)域共計(jì)發(fā)表20余篇論文，刊登在Nature Energy、Joule等化學(xué)及能源期刊上，總引用數(shù)超過(guò)7000次。

唐納德·薩多威（Sadoway），是麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系的教授，主要研究非水介質(zhì)中的電化學(xué)，包括熔鹽、低溫電解質(zhì)的物理化學(xué)和電化學(xué)。

2020年，薩多威獲得麻省理工學(xué)院能源計(jì)劃提供的種子基金資助。2022年，薩多威憑借液態(tài)金屬電池獲得歐洲發(fā)明家獎(jiǎng)。

并且，薩多威和Luis Ortiz共同成立了電池初創(chuàng)公司Avanti，薩多威擔(dān)任首席科學(xué)顧問(wèn)。公司已獲得這篇鋁-硫?qū)僭仉姵卣撐难芯康膶＠?/p>

在去年4月，公司完成A輪融資，融資金額為810萬(wàn)美元（約合人民幣5581萬(wàn)）。

投資公司包括比爾蓋茨的Breakthrough Energy，埃尼集團(tuán)（世界七大石油集團(tuán)公司之一）的風(fēng)險(xiǎn)投資子公司Eni Next。

薩多威表示，目前公司的首要任務(wù)是證明鋁-硫?qū)僭仉姵乜梢源笠?guī)模運(yùn)作，然后進(jìn)行一系列壓力測(cè)試，包括運(yùn)行數(shù)百個(gè)充電周期。

除了用作動(dòng)力電池，較小規(guī)模的鋁-硫?qū)僭仉姵剡€可用于電動(dòng)汽車充電樁，降低建設(shè)成本和增加充電速度。

并且這種電池也可以為單個(gè)家庭或中小型企業(yè)供電，存儲(chǔ)容量約為幾十千瓦時(shí)。

薩多威說(shuō)，這篇研究論文的意義在于提醒人們：

“如果愿意投入時(shí)間和金錢，還有比鋰離子電池更好、更便宜、更安全的技術(shù)可供研究。”

Nature論文原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04983-9