儲能︱新型快充鋁離子電池
2021-01-21 電工技術學報新型鋁離子電池可以快速充放電，並且在重複使用後無性能衰減的跡象。儘管其能量密度低於鋰電池使其並不適用於作為手機或電動車電池，但卻可能在電網領域有廣闊應用前景。
近日，來自史丹福大學的探究人員公布了一種可以在一分鐘內完成充放電的超常性能新型鋁離子電池。
但驚人的充放電速度還不是這個電池的唯一突破，它還是首款可以給普通用電器提供足夠工作電壓並能持續充電數百次的鋁質電池。換句話說，這是首個真正能用的鋁離子電池。
但這種電池也不是沒有缺陷。還有很多原因導致其短期內無法應用在智慧型手機或者是電動車上。
本文將對這種新的鋁電池技術進行介紹，並探究它的性能標準及對其潛在應用的影響。
鋁電池裡究竟有什麼？
為了存儲電能，電池需要兩種能在期間產生電勢差的材料，同時還需要一種可以在這兩種材料間阻止電子移動但允許離子移動的電解質。
近日推出的這種鋁離子電池使用簡單的鋁金屬作為負極（陰極），一種特殊的三維石墨泡沫作為正極（陽極）。正負極之間被一種含有氯化1-乙基-3-甲基咪唑和無水氯化鋁的電解質隔離著。選擇這種電解質是因為它含有可移動的AlCl4-離子，可以在充放電時在電池的兩極交換。
圖中展示了鋁電池中AICI4-離子是如何從石墨的陰極穿梭到鋁的陽極從而產生放電電流。
為了測試這款電池的實用性，來自斯坦福的學者們製作了一個實驗電池，並以不同速率進行充電和放電以測試：1）電池可存儲的能量；2）電池的充放電速度；3）電池可重複充放電次數。
它能存儲多少能量呢？
電池可以存儲的能量由兩個因素決定：其正負極間的電勢差和電池材料能以電子和離子形式存儲的電荷數。
根據荷電狀態的不同，鋁電池兩極的電勢差大約在2-2.5伏之間。這比鋰電池通常的3.5-4伏的電勢差要低。這就意味著大概兩倍數量的鋁電池串聯起來才能產生和鋰電池等同的電壓。
每千克鋁離子電池可以存儲約70安時的電荷量，這大約是鋰電池120-160安時的二分之一。
綜合上述情況來看，鋁離子電池的低電壓和低電容量使得它的能量密度只有一般鋰離子電池的四分之一（鋁離子電池為40瓦時/千克，而鋰離子電池為160瓦時/千克）。因此如果要用鋁離子電池給你的手機，筆記本或者電動車供電的話就需要一個質量為相應鋰電池四倍的電池。
它可以產生多少電能呢？
儲能容量是衡量電池性能的一個重要標準，但並不是唯一標準。另一個重要標準是功率容量，也就是它可以安全並有效地進行充放電的速率。
電池充放電的速度取決於電池的材料發生電化學反應的速度和電離子在電池內部散射的速度。
斯坦福的學者特意把他們的鋁離子電池設計為可以快速充放電的電池。為了加快電離子在電池負極的移動速度，他們研發了一種由獨特的三維石墨泡沫製成的陰極，而其內部間距和表面積能加速離子移動。
斯坦福的鋁離子電池使用了一種獨特的三維石墨泡沫以加快離子在電池內的移動速率並達到了空前的充放電速度。（圖片來源：Lin et al., 2015）
這種獨特的負極可以使鋁離子電池以空前的速度充放電。研究人員們以在一分鐘內充滿並完全放電的速率進行了電池充放電的測試。最終發現這種電池可以在一分鐘內充滿電，並在無顯著容量降低或是效率受損的前提下在48秒到1.5小時內放電。
鋁離子電池的快速充放電能力使其相比於傳統鋰電池有了決定性的優勢。以質量為基準，一個一千克的鋁電池可以產生3000瓦的功率—足夠供給兩到三個普通家庭的電量，儘管其持續時間不超過一分鐘。相比之下，一個普通的鋰離子電池只能產生大約200W的功率，大概只有斯坦福鋁離子電池功率容量的十分之一。
它能使用多久呢？
鋁電池獨特的三維石墨泡沫陰極不僅僅讓它有了快速充放電的能力，它還使得電池可以充放電數千次而無明顯的材料退化或是容量損失。
為測試電池在不同狀況下的使用壽命，斯坦福的研究人員對電池進行了數千次一分鐘內的快速充放電。在超過7500次的充放電循環裡，研究人員發現電池容量基本沒有損耗。
這幅圖展示了在鋁電池7500次充放電的過程中所測得的充電容量，放電容量及庫侖效率。充放電容量在7500次循環中沒有減少的事實證明使用次數並不會造成電池容量的減少。電荷效率始終接近100%則證明電池中存儲的電荷在放電時又出現了，並未在副反應或者其他過程中被消耗。
這就和充放電1000-3000次後電池容量就會顯著減少的鋰離子電池形成了鮮明的對比。因此，鋁電池具有比傳統鋰電池更耐用的潛力。
不過，斯坦福的研究者還沒能證明他們的電池何以經受時間的考驗，因此鋁離子電池能否持續足夠的時間來實現電力系統的應有還是個未知數。因為每次測試的充放電過程僅在一分鐘內就能完成，7500次充放電只能證明其具有短短幾周的使用時間。如果有其它被動反應會造成電池在長時間內退化，那麼鋁電池也許還不能像電力系統應用要求的那樣持續多年。
它可以應用在哪些地方？
根據以上的性能特徵，斯坦福的鋁離子電池可以應用在需要快速充放電及充放電數以千次而不會有容量損耗的應用上。它在需要高能量密度的應用上不會起太大作用，因為它的的能量密度大約只有現有鋰離子電池的四分之一。
因此，短時間內斯坦福的鋁電池並不會用在你們的手機，平板電腦或者電動車上。儘管它可以讓你在一分鐘給你的手機或汽車充滿電，但它也會大大增加你手機或汽車的重量。
但是，有朝一日鋁電池或許會被應用在電網上。利用斯坦福的鋁電池來為電網提供平衡和電力存儲以協調電力供應和需求或許是再合適不過的了。因為這需要大功率電池多次充放電而無性能衰退。如果斯坦福的鋁離子電池可以在未來以足夠低的成本生產，那麼它或許有可能用來為電網提供這一服務。
（來源：科學美國人博客；作者：Robert Fars；翻譯：耿也）
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