鋁電池具有電池容量高
、安全性高和使用壽命長等優點。相較於傳統的鋰電池，鋁電池的電池容量具有很高的理論上限，且由於鋁電池負極金屬鋁性質穩定
、電解液不易燃，所以鋁電池即使被穿刺短路也不會發生燃燒、爆炸等危險現象。

——王偉 北京科技大學冶金與生態工程學院教授
、博士生導師

◎芶文涵 陳 科

如(ru)今(jin)，鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)早(zao)已(yi)融(rong)入(ru)我(wo)們(men)的(de)日(ri)常(chang)生(sheng)活(huo)
，但(dan)鋰(li)在(zai)地(di)殼(ke)中(zhong)的(de)含(han)量(liang)較(jiao)低(di)，因(yin)此(ci)亟(ji)須(xu)尋(xun)找(zhao)可(ke)替(ti)代(dai)鋰(li)的(de)元(yuan)素(su)來(lai)製(zhi)備(bei)高(gao)性(xing)能(neng)的(de)二(er)次(ci)可(ke)充(chong)電(dian)池(chi)。作(zuo)為(wei)鋰(li)的(de)替(ti)代(dai)品(pin)
，鋁(lv)在(zai)地(di)殼(ke)中(zhong)含(han)量(liang)豐(feng)富(fu)，但(dan)其(qi)化(hua)學(xue)性(xing)質(zhi)十(shi)分(fen)活(huo)潑(po)，容(rong)易(yi)形(xing)成(cheng)致(zhi)密(mi)的(de)氧(yang)化(hua)層(ceng)，並(bing)且(qie)作(zuo)為(wei)負(fu)極(ji)也(ye)易(yi)於(yu)產(chan)生(sheng)鋁(lv)枝(zhi)晶(jing)，導(dao)致(zhi)電(dian)池(chi)短(duan)路(lu)
，因(yin)此(ci)難(nan)以(yi)實(shi)現(xian)產(chan)業(ye)化(hua)。

近日
，在一項發表於《自然》的研究中，為了研製無枝晶的高性能鋁電池，來自北京大學、美國麻省理工學院等機構的研究人員合作研發出了一種由無機氯化物（氯化鈉—氯化鉀—氯化鋁）組成的低熔點熔鹽電解質，以此替代當前普遍使用的離子液體電解質。

據悉，氯化鈉—氯化鉀—lvhualvdianjiezhizhongdelvdianjijuyoukangzhijingshengchangdetexing，dianjibiaomianchengxianchumingquedeqiemianermeiyoujianruidezhijing。zhexiangyanjiuweiweilailvdianchidekaifatigonglexindesilu。

相較於鋰電池具有眾多優勢

鋁電池是以金屬鋁為負極，氯鋁酸基熔鹽或離子液體為電解質
，負極上發生鋁的沉積/剝離

，正極上發生氯鋁酸根離子或鋁離子嵌入/脫出或發生轉化反應，從而實現電荷存儲和釋放的電池。

“鋁電池具有電池容量高、安全性高和使用壽命長等優點。”北京科技大學冶金與生態工程學院教授、博士生導師王偉介紹說，相較於傳統的鋰電池，鋁電池具有眾多優勢，由於鋁的理論質量比容量為2.98安時/克，僅次於鋰；理論體積比容量為8.05安時/立方厘米
，在所有金屬中排名第一，因此鋁電池的電池容量具有很高的理論上限，且由於鋁電池負極金屬鋁性質穩定、電解液不易燃，所以鋁電池即使被穿刺短路也不會發生燃燒、爆炸等危險現象。

2015年
，王偉課題組就研發了以室溫離子液體為電解質，石墨為正極，鋁為負極的新型非水係鋁電池。此電池體係具備高達2伏(fu)的(de)放(fang)電(dian)電(dian)壓(ya)
，且(qie)具(ju)有(you)優(you)異(yi)的(de)循(xun)環(huan)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)倍(bei)率(lv)性(xing)能(neng)，展(zhan)現(xian)出(chu)了(le)巨(ju)大(da)的(de)實(shi)用(yong)化(hua)潛(qian)力(li)。此(ci)後(hou)

，非(fei)水(shui)係(xi)鋁(lv)電(dian)池(chi)逐(zhu)漸(jian)成(cheng)為(wei)世(shi)界(jie)範(fan)圍(wei)內(nei)儲(chu)能(neng)領(ling)域(yu)的(de)研(yan)究(jiu)熱(re)點(dian)。

然ran而er在zai後hou續xu的de研yan究jiu過guo程cheng中zhong，相xiang關guan科ke研yan人ren員yuan發fa現xian
，受shou限xian於yu離li子zi液ye體ti電dian解jie質zhi極ji強qiang的de酸suan性xing，溶rong於yu電dian解jie質zhi中zhong的de高gao容rong量liang正zheng極ji材cai料liao通tong常chang都dou存cun在zai循xun環huan壽shou命ming短duan的de問wen題ti，再zai加jia上shang離li子zi液ye體ti電dian解jie質zhi極ji易yi吸xi水shui、空氣穩定性差
、易分解，所以電解質的開發便成為了非水係鋁電池的重要研究方向。

“此次最新研究，通過使用一種低熔點的無機氯化物熔鹽電解質，成功替代當前普遍使用的離子液體電解質，實現了鋁電池的高倍率運行、低電壓極化及高能量效率。”王偉表示，由於低熔點熔鹽電解質的熱穩定性高

、不可燃，解決了大規模集成係統安全性方麵的難題。“從室溫離子液體電解質的開發，到現在一係列高電壓、高容量鋁電池體係的構建，大量的研究成果推動著非水係鋁電池向著實用化邁進。”他說。

鋁電池仍有“美中不足”之處

盡管鋁電池有很好的應用前景，近年來也取得了顯著的突破
，但其反應動力學不足、能量密度低、部分體係容量衰減嚴重等缺點仍有待改善。

據悉，在使用離子液體電解液的鋁電池體係下，基於嵌入/脫嵌反應機製的石墨材料具有有限的可逆容量

，會導致電池整體能量密度較低；基於轉化型反應機製的硫等正極材料，在較低的溫度下運行，表現出了高比容量的特性
，然而卻具有電池反應動力學緩慢、充放電電壓極化大、充放電倍率性能差、循環壽命短等缺點，會極大降低電池的能量效率。

“非水可充電鋁離子電池正極材料通常會麵臨低電導率以及結構解體的難題。”王偉介紹道，嵌入型材料在循環過程中發生的體積變化，除了使材料導電性變差之外
，還會導致電極溶脹解體
、活性物質粉化等。此外，嵌入型過渡金屬化合物仍存在放電電壓低
、容量低、容量衰減快的問題
，比鋰離子電池嚴重得多。轉化型材料普遍麵臨著反應不可逆和庫侖效率（在給定的條件下
，電池放電過程所放出電荷數占充電過程所輸入電荷數的百分比）低等問題，且電池放電容量在最初的幾次循環後急劇下降，表現出快速的容量衰減和較差的循環穩定性。

同時
，作為負極材料的鋁
，其電極表麵存在鈍化層

，會降低電池的電壓和效率
；鋁的嚴重腐蝕，也會導致不可逆的鋁消耗，從而降低鋁電極的利用率；並且在循環過程中的鋁枝晶生長
，還會降低電池的安全性和循環壽命。

王偉表示，當前非水可充電鋁離子電池商業化的一些障礙還包括缺乏廉價
、耐腐蝕的集流體和可在酸性AlCl3基電解質中穩定運行的不分解粘結劑。“目前
，除玻璃碳、鉭
、鉑等昂貴材料外
，可作為集流體的、穩定便宜的材料很少。”他(ta)說(shuo)


，在(zai)非(fei)水(shui)可(ke)充(chong)電(dian)鋁(lv)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)中(zhong)，粘(zhan)結(jie)劑(ji)的(de)作(zuo)用(yong)一(yi)直(zhi)被(bei)忽(hu)視(shi)，因(yin)此(ci)通(tong)過(guo)對(dui)現(xian)有(you)粘(zhan)結(jie)劑(ji)體(ti)係(xi)的(de)改(gai)性(xing)和(he)新(xin)型(xing)粘(zhan)結(jie)劑(ji)的(de)開(kai)發(fa)來(lai)改(gai)善(shan)電(dian)池(chi)性(xing)能(neng)的(de)研(yan)究(jiu)也(ye)較(jiao)少(shao)。

鋁電池具實際應用前景

據了解
，儲能技術與新能源應用、電dian網wang的de發fa展zhan緊jin密mi相xiang連lian，可ke以yi有you效xiao提ti高gao能neng源yuan利li用yong效xiao率lv，並bing且qie可ke以yi解jie決jue偏pian遠yuan地di區qu供gong電dian等deng問wen題ti。因yin此ci
，儲chu能neng技ji術shu是shi發fa展zhan新xin能neng源yuan無wu法fa繞rao開kai的de關guan鍵jian一yi環huan。業ye內nei人ren士shi認ren為wei，儲chu能neng電dian池chi的de未wei來lai應ying該gai在zai風feng電dian和he光guang電dian產chan業ye，其qi中zhong尤you以yi已yi經jing大da量liang布bu局ju的de風feng電dian產chan業ye為wei主zhu。雖sui然ran近jin年nian來lai風feng電dian產chan業ye發fa展zhan勢shi頭tou迅xun猛meng，但dan由you於yu風feng力li資zi源yuan具ju有you不bu穩wen定ding性xing，一yi直zhi飽bao受shou並bing網wang的de困kun擾rao，而er儲chu能neng技ji術shu的de應ying用yong

，能neng夠gou幫bang助zhu風feng電dian場chang平ping穩wen輸shu出chu



，“削峰填穀”。

鋁電池的優勢在於安全性高、穩定性好、寬溫性能優異，因此王偉認為，未來鋁電池將與儲能係統
、特種裝備等行業密不可分。

“當今儲能裝置市場依然保持著較快的發展速度。”王偉表示，預計到2025年，中國僅電化學儲能市場功率規模將達到28.6吉瓦
，市場份額將高達1287億元，整個產業的市場規模具備萬億級市場潛力。

電化學儲能技術由於具有建設周期短、運營成本低

、對dui環huan境jing無wu影ying響xiang等deng特te點dian已yi經jing成cheng為wei電dian網wang應ying用yong儲chu能neng技ji術shu解jie決jue新xin能neng源yuan接jie入ru的de首shou選xuan方fang案an。目mu前qian

，鋰li離li子zi電dian池chi以yi其qi較jiao高gao的de能neng量liang密mi度du特te性xing
，在zai電dian化hua學xue儲chu能neng技ji術shu中zhong占zhan據ju主zhu導dao地di位wei。然ran而er，高gao昂ang的de成cheng本ben、有限的鋰資源和安全性等問題極大地限製了其大規模儲能應用。

鋁電池由於鋁負極低成本、高地殼元素含量、高gao比bi容rong量liang的de特te點dian，被bei認ren為wei是shi鋰li離li子zi電dian池chi之zhi外wai的de一yi種zhong極ji具ju實shi際ji應ying用yong前qian景jing的de電dian池chi。更geng重zhong要yao的de是shi
，鋁lv電dian池chi體ti係xi具ju有you較jiao高gao的de安an全quan性xing，新xin型xing鋁lv電dian池chi實shi現xian投tou產chan後hou將jiang會hui解jie決jue大da規gui模mo集ji成cheng係xi統tong安an全quan性xing方fang麵mian的de問wen題ti。

王偉表示
，未來在“雙碳”背景下
，儲能電池標準要更加重視環境

、能源、資源效益的提升，構建綠色低碳循環發展標準框架，遵循先立後破、積極有序推進的原則。同時，重視國際合作，做好規則協同
，充分考慮不同國家的國情、發展的階段，最大程度地實現核算規則和核算體係互認，共同推動綠色低碳的發展。