北京大学最新Nature!

8月24日,北京大学材料科学与工程学院庞全全与麻省理工学院Donald R. Sadoway团队合作在Nature在线发表题为“Fast-charging aluminium–chalcogen batteries resistant to dendritic shorting”的研究论文。该研究介绍了一种双向快速充电的铝-硫属元素电池,该电池使用由NaCl-KCl-AlCl3 组成的熔盐电解质运行。这种化学电池与其他铝电池的区别在于选择正极元素硫属元素电极而不是各种低容量化合物配方,以及选择熔盐电解质而不是诱导高极化的室温离子液体。

研究表明,铝和硫属元素之间的多步转换路径允许在高达 200C 的温度下快速充电,并且电池在非常高的充电率下可以承受数百次循环而不会形成铝枝晶。重要的是,对于可扩展性而言,铝硫电池的电池成本预计将低于当前锂离子技术的六分之一。这种化学成分由地球上丰富的元素组成,可以在略高于水沸点的适度高温下进行合乎道德的采购和操作,具有低成本、可充电、耐火、可回收电池的所有必要条件,这种新型电池在未来有望成为电池主流。

北京大学最新Nature!

尽管配备金属负极的电池因其更高的能量密度和更低的复杂性(促进可回收性)而具有吸引力,但树突造成的电池短路威胁阻碍了该技术的部署。

该研究展示了两种铝-硫属元素化学物质,铝-硫和铝-硒,与熔融氯铝酸盐电解质 (NaCl-KCl-AlCl3) 一起工作,该电解质被配制为具有高路易斯酸度,从而导致生成链状 AlnCl3n+1– 这些是支持铝超快电沉积(电池充电)同时抑制枝晶形成的关键。更有利的是,氯铝酸盐的聚合迫使熔融盐的熔点(以及因此电池的工作温度)降至水的沸点以下。

该研究选择铝(地球上最丰富的金属)作为负极,解决了与锂离子电池所需的锂、镍、钴和石墨短缺的担忧。

至于正极的选择,有一系列化合物可以选择,但由于高电压极化和低容量(即使在低速率下),成功率有限。或者,即使 AlCl4嵌入到石墨中已经给出了高速率操作的迹象,电解质的伴随消耗降低了整体能量密度。因此,该研究选择元素硫属元素作为正极

至关重要的是,电解质(必须是非水的)的选择几乎完全局限于室温离子液体,例如含有 AlCl3的1-乙基-3-甲基咪唑氯化物 (EMIC),由于缓慢的电荷转移动力学和低离子扩散率,它们价格昂贵并且表现出较差的倍率性能。该研究偏离了偏爱环境温度电池的传统观念,并证明在适度升高的温度(例如,110 °C)下,使用低成本的熔融氯铝酸盐电解质可以实现高能量密度和快速充电。

北京大学最新Nature!

熔盐电解质和铝-硫属元素电化学的基础知识(图源自Nature

总的来说,这种新型电池具有双重经济前景:

首先,考虑到所有成分(铝、硫、NaCl、KCl 和 AlCl3)在地球上的高丰度,我们的 Al-S 电池的电池级成本估计低至每千瓦时 8.99 美元,这是当今锂离子电池的12-16%。并且在负极中使用劣质铝(例如,食品包装箔)不会导致电池性能明显下降;

其次,在如此温和的超环境工作温度可能低至 90°C 的情况下,电池将不需要主动冷却系统,这对于大尺寸锂离子电池来说绝对是至关重要的;绝对重要且明显有利的是,熔盐电解质在工作温度范围内和超过 500°C 时具有热稳定性和非挥发性。它对热失控和火灾的免疫力使这种电池化学对电动汽车特别有吸引力;

最后,铝|熔融氯铝酸盐|硫属元素范式对其他金属的适应,可能会解锁其他多价电池化学物质。由此可见,这种双向快速充电的铝-硫属元素电池具有光明的应用前景,有望成为未来电池市场主流的新星。

论文信息:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04983-9

发表评论

邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注