近日，來(lái)自斯坦福大學(xué)的探究人員公布了一種儲(chǔ)能技術(shù)：可以在一分鐘內(nèi)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(gè)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并能持續(xù)充電數(shù)百次的鋁質(zhì)電池。換句話說(shuō)，這是首個(gè)真正能用的鋁離子電池。

但這種電池也不是沒(méi)有缺陷。還有很多原因?qū)е缕涠唐趦?nèi)無(wú)法應(yīng)用在智能手機(jī)或者是電動(dòng)車(chē)上。

本文將對(duì)這種新的鋁電池技術(shù)進(jìn)行介紹，并探究它的性能標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)其潛在應(yīng)用的影響。

鋁電池里究竟有什么

為了存能，電池需要兩種能在期間產(chǎn)生電勢(shì)差的材料，同時(shí)還需要一種可以在這兩種材料間阻止電子移動(dòng)但允許離子移動(dòng)的電解質(zhì)。

近日推出的這種鋁離子電池使用簡(jiǎn)單的鋁金屬作為負(fù)極，一種特殊的三維石墨泡沫作為正極。正負(fù)極之間被一種含有氯化1-乙基-3-甲基咪唑和無(wú)水氯化鋁的電解質(zhì)隔離著。選擇這種電解質(zhì)是因?yàn)樗锌梢苿?dòng)的AlCl4-離子，可以在充放電時(shí)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(yáng)極從而產(chǎn)生放電電流。

為了測(cè)試這款電池的實(shí)用性，來(lái)自斯坦福的學(xué)者們制作了一個(gè)實(shí)驗(yàn)電池，并以不同速率進(jìn)行充電和放電以測(cè)試：1)電池可存儲(chǔ)的能量；2)電池的充放電速度；3)電池可重復(fù)充放電次數(shù)。

它能存儲(chǔ)多少能量呢

電池可以存儲(chǔ)的能量由兩個(gè)因素決定：其正負(fù)極間的電勢(shì)差和電池材料能以電子和離子形式存儲(chǔ)的電荷數(shù)。

根據(jù)荷電狀態(tài)的不同，鋁電池兩極的電勢(shì)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(shì)差要低。這就意味著大概兩倍數(shù)量的鋁電池串聯(lián)起來(lái)才能產(chǎn)生和鋰電池等同的電壓。

每千克鋁離子電池可以存儲(chǔ)約70安時(shí)的電荷量，這大約是鋰電池120-160安時(shí)的二分之一。

綜合上述情況來(lái)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。因此如果要用鋁離子電池給你的手機(jī)，筆記本或者電動(dòng)車(chē)供電的話就需要一個(gè)質(zhì)量為相應(yīng)鋰電池四倍的電池。

它可以產(chǎn)生多少電能呢

儲(chǔ)能容量是衡量電池性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，但并不是唯一標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是功率容量，也就是它可以安全并有效地進(jìn)行充放電的速率。

電池充放電的速度取決于電池的材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的速度和電離子在電池內(nèi)部散射的速度。斯坦福的學(xué)者特意把他們的鋁離子電池設(shè)計(jì)為可以快速充放電的電池。為了加快電離子在電池負(fù)極的移動(dòng)速度，他們研發(fā)了一種由獨(dú)特的三維石墨泡沫制成的陰極，而其內(nèi)部間距和表面積能加速離子移動(dòng)。

斯坦福的鋁離子電池使用了一種獨(dú)特的三維石墨泡沫以加快離子在電池內(nèi)的移動(dòng)速率并達(dá)到了空前的充放電速度。

這種獨(dú)特的負(fù)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(nèi)充滿并完全放電的速率進(jìn)行了電池充放電的測(cè)試。最終發(fā)現(xiàn)這種電池可以在一分鐘內(nèi)充滿電，并在無(wú)顯著容量降低或是效率受損的前提下在48秒到1.5小時(shí)內(nèi)放電。

鋁離子電池的快速充放電能力使其相比于傳統(tǒng)鋰電池有了決定性的優(yōu)勢(shì)。以質(zhì)量為基準(zhǔn)，一個(gè)一千克的鋁電池可以產(chǎn)生3000瓦的功率—足夠供給兩到三個(gè)普通家庭的電量，盡管其持續(xù)時(shí)間不超過(guò)一分鐘。相比之下，一個(gè)普通的鋰離子電池只能產(chǎn)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(dú)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(shù)千次而無(wú)明顯的材料退化或是容量損失。

為測(cè)試電池在不同狀況下的使用壽命，斯坦福的研究人員對(duì)電池進(jìn)行了數(shù)千次一分鐘內(nèi)的快速充放電。在超過(guò)7500次的充放電循環(huán)里，研究人員發(fā)現(xiàn)電池容量基本沒(méi)有損耗。

這幅圖展示了在鋁電池7500次充放電的過(guò)程中所測(cè)得的充電容量，放電容量及庫(kù)侖效率。充放電容量在7500次循環(huán)中沒(méi)有減少的事實(shí)證明使用次數(shù)并不會(huì)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(chǔ)的電荷在放電時(shí)又出現(xiàn)了，并未在副反應(yīng)或者其他過(guò)程中被消耗。

這就和充放電1000-3000次后電池容量就會(huì)顯著減少的鋰離子電池形成了鮮明的對(duì)比。因此，鋁電池具有比傳統(tǒng)鋰電池更耐用的潛力。

不過(guò)，斯坦福的研究者還沒(méi)能證明他們的電池何以經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)，因此鋁離子電池能否持續(xù)足夠的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的應(yīng)有還是個(gè)未知數(shù)。因?yàn)槊看螠y(cè)試的充放電過(guò)程僅在一分鐘內(nèi)就能完成，7500次充放電只能證明其具有短短幾周的使用時(shí)間。如果有其它被動(dòng)反應(yīng)會(huì)造成電池在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)退化，那么鋁電池也許還不能像電力系統(tǒng)應(yīng)用要求的那樣持續(xù)多年。

它可以應(yīng)用在哪些地方

根據(jù)以上的性能特征，斯坦福的鋁離子電池可以應(yīng)用在需要快速充放電及充放電數(shù)以千次而不會(huì)有容量損耗的應(yīng)用上。它在需要高能量密度的應(yīng)用上不會(huì)起太大作用，因?yàn)樗牡哪芰棵芏却蠹s只有現(xiàn)有鋰離子電池的四分之一。

因此，短時(shí)間內(nèi)斯坦福的鋁電池并不會(huì)用在你們的手機(jī)，平板電腦或者電動(dòng)車(chē)上。盡管它可以讓你在一分鐘給你的手機(jī)或汽車(chē)充滿電，但它也會(huì)大大增加你手機(jī)或汽車(chē)的重量。

但是，有朝一日鋁電池或許會(huì)被應(yīng)用在電網(wǎng)上。利用斯坦福的鋁電池來(lái)為電網(wǎng)提供平衡和電力存儲(chǔ)以協(xié)調(diào)電力供應(yīng)和需求或許是再合適不過(guò)的了。因?yàn)檫@需要大功率電池多次充放電而無(wú)性能衰退。如果斯坦福的鋁離子電池可以在未來(lái)以足夠低的成本生產(chǎn)，那么它或許有可能用來(lái)為電網(wǎng)提供這一服務(wù)。