铝硫电池可能成为锂离子电池的廉价替代品

作者：R. Mark Wilson

编译：袁瑜

图片来源：https://physicstoday.scitation.org/

金属锂有时被吹捧为终极阳极材料，因为它能为给定的阴极提供最高的电压和能量密度。但是，除非采取措施避免它们，否则锂枝晶会积聚在阳极上，引起短路，从而点燃锂离子电池的易燃液体电解质。由北京大学的庞泉泉和麻省理工学院的Donald Sadoway领导的一个国际材料科学家团队现在已经开发出一种能完全避免该问题的电池。它结合了地球上最丰富的一些材料，是一个能快速充电的铝硫电池，使用熔盐电解质工作。

尽管铁是最具商业优势的金属，但它不具备制造高效电池所需的电化学特性。铝是地球上最丰富的金属，事实证明它是更好的阳极选择。原则上，任何硫元素都可以充当阴极。但研究人员决定使用其中最便宜的硫磺。在电极之间，他们选择了熔盐NaCl-KCl-AlCl3。(图中从左到右分别是铝、硫和盐晶体的常见成分。)

由于其熔点(也就是操作温度)低于水的沸点，氯铝酸盐比其他的盐挥发性更低。它们也更实用:研究人员的概念验证实验表明，这种材料组合能产生很高的能量密度(根据电化学数据预测为526瓦时/升，与锂离子电池的能量密度相当)，并能在异常快速的充电速率下进行数百次循环——在不到一分钟的时间内充满电。

此外，尽管研究小组选择氯铝酸盐熔盐电解质主要是因为其熔点低，但新的实验表明，在这些充电速率下，盐中的高AlCl3浓度还可以抵抗枝晶短路问题。研究人员推测，微量溶解的硫化物可以作为一种平整剂，阻碍树枝晶的生长。

考虑到所有组件的可用性，研究人员估计Al-S电池的成本低至每千瓦时8.99美元。这是现在锂离子电池成本的12-16%。而且，由于熔盐电解质在500°C以上时热稳定，且不受热失控和火灾的影响，研究人员认为，这种电池的化学成分可能对电动汽车特别有吸引力。Sadoway已经将这项研究作为Avanti的基础，Avanti是他创立的一家衍生公司，该公司已经获得了电池技术专利的授权。

这种新型电池也可能是为单个家庭供电的理想选择，因为它们可以在必要的数十千瓦时存储容量下进行盈利扩展。今天的锂离子电池对于这种能量储存应用来说仍然太过昂贵。

文章来源：https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20220829a/full/