更安全、更便宜、更强大？铝电池的前景

更安全、更便宜、更强大？铝电池的前景

随着全球对可持续能源需求的不断增加，电池技术的革新成为关键。铝电池作为锂离子电池的潜在替代品，因其安全性高、成本低、能量密度大等优势而备受关注。本文将为您详细介绍铝电池的最新研究进展及其广阔的应用前景。

铝在电池发展中的潜力

开发可充电铝电池的努力已经持续了几十年，但在过去十年左右取得了显著进展。越来越多的关注和研究帮助铝离子电池实现了卓越的充电和放电速率。

铝的独特性能包括重量轻、耐腐蚀、导热性高。这种多功能性使这种金属在各行各业（尤其是交通运输）的广泛应用中大有裨益。金属被广泛用于汽车、飞机和火车的制造，因为它重量轻且坚固，有助于提高燃油效率并减少排放。

铝的另一个主要应用是建筑行业，因为它易于加工且有能力承受恶劣的环境条件。铝还大量用于包装、航空航天、化工、军事和电气工业。铝的密度低且是良好的电导体，因此成为制造电导体、计算机、智能手机和电视等设备以及架空电力线的理想材料。

更重要的是，铝是地壳中最丰富的金属元素，作为一种低成本金属，将其用于充电电池可大幅降低电池成本，尤其适用于经济型、大规模可再生能源储存备用系统。对于这些应用来说，锂离子电池仍然过于昂贵。除了价格昂贵之外，这些电池还带有易燃电解质，存在安全隐患。地球上最丰富的金属和第二丰富的金属（仅次于铁）使其成为合适的替代品。

铝不仅价格低廉，体积容量也非常高，比锂高出四倍，比钠高出七倍，展现出铝在提升电池单位体积能量密度方面的潜力。此外，铝不易燃，这进一步支持了其作为电极的应用。使用这种金属还消除了界面层的复杂性，界面层很常见在锂离子系统中。

但这并不是说铝没有任何缺陷。铝离子电池系统的钝化、腐蚀和氢气析出导致其应用受限。铝离子电池的另一个挑战是阳极材料的选择，因为 Al3+ 离子的电荷密度高，导致扩散动力学缓慢，进而限制了电池的倍率能力。

尽管面临这些挑战，铝离子电池由于其比容量高、成本低、重量轻、安全性好以及铝的天然丰富性，仍是大规模储能的有希望的候选材料。

探索铝离子电池的实际应用

由于需要新的电池化学成分来满足飞机长距离飞行和公用事业规模的能源存储等对高能量的需求，对电池中铝的探索已经进行了一段时间。常规电池只是没有足够的能量来为这些系统供电。

约十年前，斯坦福大学的研究人员首次披露铝离子电池可以稳定并长期循环。这款铝离子电池可以完全充电在一分钟内即可完成多达 7500 次充电/放电循环，且容量衰减很小。

一项研究进行去年年底，澳大利亚昆士兰大学的研究人员使用 AIB 组件解决技术障碍1称为固体电解质界面相。铝离子电池，很像锂离子电池，具有阳极、阴极和电解质，电解质携带铝离子在带正电的电极和带负电的电极之间流动。在放电过程中，离子从阳极移动到阴极以产生能量，而在对电池充电时，该过程会逆向以存储能量。对于铝离子电池，由于形成枝晶导致短路，它们在充电和放电之间循环时会面临不稳定性，从而导致电池故障。

根据研究，答案是铝离子电池需要预循环，就像锂离子电池一样，以最大限度地延长其使用寿命。了解这些独特的预循环需求可以带来更好的设计，使电池使用寿命更长、性能更可靠，从而使它们更接近实际应用。

在几年前的另一项研究中，佐治亚理工学院的研究人员使用铝箔制造电池，使电动汽车一次充电就能行驶更长的距离。在这项研究中，研究人员在铝中添加了 100 多种不同材料的少量材料，以制造具有特定“微结构”的箔片。铝阳极能够比传统阳极材料储存更多的锂，这意味着更多的能量，从而创造出高能量密度的电池。

这些对铝电池的研究具有巨大的潜力，可以为未来更强大的电池技术打开大门。

新设计延长铝电池寿命

鉴于铝离子电池的诸多优点，最近，一种新的发表的一篇研究2美国化学学会中央科学研究所致力于设计一种经济高效、环保的铝离子电池，以帮助支持向可持续清洁能源的转变。随着全球推动可持续发展，该研究指出，需要探索丰富的可再生资源，以推动储能电池技术的进步，促进可持续发展。

因此，研究人员转向使用不可燃的室温氯铝酸盐基离子液体电解质的可充电铝离子电池 (AIB)。AIB 具有广泛的温度适应性、较长的循环寿命和卓越的安全性，非常适合用于能够大规模储存能量的系统。

但当然，AIB 中的传统离子液体电解质存在明显的弱点。研究人员希望利用新框架克服铝离子电池中最常用电解质的腐蚀问题。电解质——液态氯化铝——不仅会腐蚀铝阳极，而且由于其对湿度的高度敏感性，还会加剧这种情况。本篇导致稳定性较差，从而导致电气性能随着时间的推移而下降。

为了消除这一限制，研究人员将惰性氟化铝盐引入含有铝离子的电解质中，将其转变为固态电解质。氟化铝盐的三维多孔结构允许铝离子轻松跳过电解质并提高电导率.研究人员还使用氟乙烯碳酸酯作为界面添加剂。电极上薄薄的一层固体涂层有助于防止铝晶体的形成，从而保护电池的健康状况不受损害。

利用这两个组件，研究团队能够增强电池的抗湿性以及热稳定性和物理稳定性。本篇这使得固态铝离子电池能够承受高达 392 华氏度（或 200 摄氏度）的高温。它还能抵御尖锐物体的反复戳刺。说到这款电池的使用寿命，研究发现它的使用寿命非常长。固态铝离子电池可进行多达 10,000 次充电和放电循环，同时其容量损失不到原始容量的百分之一。

此外，所使用的大部分氟化铝都可以被恢复只需简单清洗即可。然后，AlF3 可以回收再利用，制成性能仅略有下降的电池，从而进一步降低电池的生产成本。“这种新型铝离子电池设计展示了一种持久、经济高效、高安全性的储能系统的潜力。关键材料的回收和再利用能力使该技术更具可持续性。”