相關論文發表于期刊《Nature》。該論文對這種新電池結構進行了描述,即使用鋁和硫作為兩種電極材料,并使用熔鹽作為電解質置于中間。
圖片來源:麻省理工學院
麻省理工學院教授Donald Sadoway表示:“我想發明出一種比鋰離子電池更好的電池,用于小型固定存儲,并最終用于汽車。研究元素周期表時,我發現鋁是市場上第二豐富的金屬,也是地球上最豐富的金屬,因此選擇鋁作為電池研究的新方向。”
研究人員決定將鋁用作一個電極,并將非金屬中最便宜的硫作為第二電極的材料。至于電極之間的電解質,研究人員首先排除了易揮發且易燃的有機液體,然后嘗試各種聚合物,最終確定使用熔點相對較低(接近水的沸點)的熔鹽。這樣當溫度降低到體溫時,制造電池就無需特殊絕緣和防腐措施。
在實驗中,該團隊表明,該電池可以以極高的充電率承受數百次循環,預計每個電池的成本約為同類鋰離子電池的六分之一。研究人員稱,充電速率很大程度上取決于工作溫度,110℃下的充電速率是25℃下的25倍。
令人驚訝的是,該團隊僅僅因為熔點低而選擇熔鹽作為電解質,結果卻發現該材料還有其他意想不到的優勢。電池可靠性的最大問題之一是枝晶的形成,枝晶是在一個電極上形成的窄金屬尖峰,最終會生長到另一個電極上,從而導致短路并影響效率。但是這種特殊的鹽可有效防止枝晶生成。
Sadoway表示:“研究采用的氯鋁酸鹽可基本上消除失控的枝晶,同時還允許超快速充電。我們以非常高的充電速率進行了實驗,充電時間不到一分鐘,但卻從未因枝晶短路而毀壞電池。”
更重要的是,該電池不需要外部熱源來維持其工作溫度。熱量是通過電池的充電和放電以電化學方式自然產生的。Sadoway表示:“電池充放電時都會產生熱量,從而可以防止鹽結晶。例如,在太陽能發電設施用于負載均衡的典型裝置中,通常是在陽光明媚的時候儲存電力,然后在天黑后取電,而充電-空閑-放電-空閑這一流程足以產生足夠的熱量來保持物體的溫度。”
研究人員稱這種新的電池結構非常適合為單個家庭或中小型企業供電,以提供所需約數十千瓦時的存儲容量。
Sadoway稱較小規模的鋁硫電池也將適用于電動汽車充電站等用途。當電動汽車越來越普及,多輛電動汽車可能會同時需要充電,當前供電線路電量可能無法滿足快充。而新的電磁系統可以儲存電力,因此可在需要時釋放電力,從而避免安裝昂貴的新電源線。
除了麻省理工學院的Donald Sadoway外,該研究團隊還有來自中國北京大學、云南大學和武漢理工大學的學者,以及來自肯塔基州路易斯維爾大學(University of Louisville,)、加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)、田納西州橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)的學者。