动力电池的最新研究成果曝光:
仅需 18 秒,就可实现充满。
成本还仅为主流锂离子电池的六分之一,论文已发表在 Nature 杂志上。
这种电池在低温时能正常使用、高温下也能保持稳定。
负责此项专利技术的教授之一,已成立一家电池公司,并获得专利授权。目前公司已融资 810 万美元(约合人民币 5581 万)。
值得一提的是,包括北京大学等在内的国内高校学者,也都是这次突破性进展的研究团队成员。
剩下的问题:这种快充、成本更低、更安全的电池,会影响当下动力电池格局吗?
什么样的电池
根据研究成果,这种双向、快充铝-硫属元素电池成本低至每千瓦时 8.99 美元(约合人民币 62 元),是目前锂离子电池成本的 12%-16%。
这种电池的预计电池极能量密度为 526Wh / I,与石墨-NMC622 等锂离子电池能量密度相当。
同时不需要额外的主动冷却系统,还可以避免热失控和防止火灾。
并且几乎不会有枝晶形成,进而防止电池短路。
怎么实现的?
首先,新型电池的原材料储量丰富,且廉价。
这种新型电池正极是硫属元素,比如硫和硒。
负极是铝,电解质是由 NaCl-KCl-AlCl3 组成的熔融氯铝酸盐。
众所周知,铝是地球上最丰富的金属元素。同时,硫元素、NaCl、KCl、AlCl3 也都是常见的化学物质。
并且本次研究表明,即使使用类似食品包装铝箔等劣质铝制作负极,也不会影响电池性能。
这些因素都大大降低了电池成本。
其次,作为电解液的碱金属氯铝酸盐熔体比一般熔盐系统共晶点低得多,约为 93ºC。
这保证电池在类似 110ºC 的低温情况下也能运行,同时在使用中还能保持“自热”,通过恰当隔热就能维持自身温度。
这意味着不需要主动冷却系统。
而由于热效应,一般的锂离子电池都需要冷却系统,让电池保持在最佳运行温度,提高效率。
同时,即使温度超过 500°C,熔盐电解质仍然具有热稳定性和非挥发性,不会在高温下汽化导致电池爆炸、起火。
并且,熔盐电解质除了熔点低还有另外一个好处:防止电池短路。
这是因为电解质中的 Al3 + 具有去溶剂化的特点,可以防止铝枝晶生成。
以及最重要的,这种新型电池具有良好的循环稳定性,因此可以快充。
这又是怎么实现的?
研究原理
论文中主要展示了铝硒电池和铝硫电池的性能。
实验显示,在 NaCl-AlCl3 电解质(熔点约为 115°C)中,铝硒电池即使在 180°C 下的放电反应也很平稳,平均电压约为 0.88V。
同时,在把放电时间缩短至 5 小时、或者 2 小时充满电的速率下,铝硒电池在 50 个循环后也没有电压衰减,电池容量能维持在 300mAh / g。
当满电时间缩短至 18 秒,铝硒电池容量仍保持在 75mAh / g。
作为对比,一般铝金属电极,电解质会使用 EMIC–AlCl3(EMIC:1-乙基-3-甲基咪唑氯化物)。
而 EMIC–AlCl3 电池在满电时间缩短至 6 分钟(10C)及以下时,电池容量已经接近于 0。
研究人员还通过改变充电速率,发现铝硒电池在满电时间为 2 小时(C / 2)的情况下,可逆容量为 520mAh / g;6 分钟时为 190mAh / g;18 秒时为 75mAh / g。
对于铝硫电池来说,在 NaCl–KCl–AlCl3 电解质中(共晶温度约为 93°C),运行温度可达 110°C,电池容量为 525mAh / g。
放电时间恒定在 2 小时的情况下,铝硫电池即使充电速率提高,满电时间缩短至 6 分钟,电池容量仍能保持在 500mAh / g。
当满电时间缩短至 18 秒,铝硫电池容量仍保持在 210mAh / g。
相比之下,使用 EMIC–AlCl3 电池在满电时间缩短至 72 秒,温度升高后,电池容量接近于 0。
并且,在论文设定的循环方案下,铝硫电池可在高充电率(满电时间为 6-12 分钟)和超高充电率(满电时间为 36-72 秒)下维持数百个循环。
同时,熔盐电解质中的 Al3 + 离子沉积在动力学上占有优势,因此这种新型电池充电比放电更容易实现更高性能。
研究团队
本文主要由北大的庞全全团队和麻省理工学院 Sadoway 课题组共同完成研究。
研究人员还来自武汉理工大学、云南大学、路易斯维尔大学、滑铁卢大学、阿贡国家实验室等研究机构。
论文一作是庞全全,目前是北京大学材料科学与工程学院助理教授,和博士生导师。
本科就读于华中科技大学材料科学与工程学院,硕士和博士就读于滑铁卢大学化学系,以及麻省理工学院材料科学与工程系博士后。
2020 年,庞全全受聘于北京大学工学院能源与资源工程系。同年,庞全全入选跨学科领域全球高被引科学家名单。
庞全全在锂硫电池、锂金属电池、电解质、熔融盐电化学等领域共计发表 20 余篇论文,刊登在 Nature Energy、Joule 等化学及能源期刊上,总引用数超过 7000 次。
唐纳德・萨多威(Sadoway),是麻省理工学院材料科学与工程系的教授,主要研究非水介质中的电化学,包括熔盐、低温电解质的物理化学和电化学。
2020 年,萨多威获得麻省理工学院能源计划提供的种子基金资助。2022 年,萨多威凭借液态金属电池获得欧洲发明家奖。
并且,萨多威和 Luis Ortiz 共同成立了电池初创公司 Avanti,萨多威担任首席科学顾问。公司已获得这篇铝-硫属元素电池论文研究的专利。
在去年 4 月,公司完成 A 轮融资,融资金额为 810 万美元(约合人民币 5581 万)。
投资公司包括比尔盖茨的 Breakthrough Energy,埃尼集团(世界七大石油集团公司之一)的风险投资子公司 Eni Next。
萨多威表示,目前公司的首要任务是证明铝-硫属元素电池可以大规模运作,然后进行一系列压力测试,包括运行数百个充电周期。
除了用作动力电池,较小规模的铝-硫属元素电池还可用于电动汽车充电桩,降低建设成本和增加充电速度。
并且这种电池也可以为单个家庭或中小型企业供电,存储容量约为几十千瓦时。
萨多威说,这篇研究论文的意义在于提醒人们:
“如果愿意投入时间和金钱,还有比锂离子电池更好、更便宜、更安全的技术可供研究。”
Nature 论文原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04983-9
本文来自微信公众号:智能车参考 (ID:AI4Auto),作者:有据无车