铝电池或成新能源储能优选方案

铝电池具有电池容量高、安全性高、使用寿命长等优点。与传统锂电池相比，铝电池的电池容量具有较高的理论上限，而且由于铝电池的负极金属铝性质稳定，电解液不易燃，即使铝电池被击穿短路，也不会出现燃烧、爆炸等危险现象。

——王伟，北京科技大学冶金与生态工程学院教授、博士生导师。

◎简陈科

如今，锂离子电池早已融入我们的日常生活，但地壳中锂的含量较低，迫切需要寻找能够替代锂的元素来制备高性能的充电电池。铝作为锂的替代品，在地壳中含量丰富，但其化学性质非常活跃，容易形成致密的氧化层。作为负极也容易产生铝枝晶，导致电池短路，难以实现产业化。

近日，在《自然》杂志发表的一项研究中，为了开发一种无枝晶的高性能铝电池，来自北京大学、麻省理工学院等机构的研究人员开发了一种由无机氯化物组成的低熔点熔盐电解质，以取代目前广泛使用的离子液体电解质。

据报道，氯化钠-氯化钾-氯化铝电解液中铝电极具有抗枝晶生长的特性，电极表面呈现清晰的截面，没有尖锐的枝晶。该研究为今后铝电池的发展提供了新的思路。

与锂电池相比，它有很多优点。

铝电池是以金属铝为负极，以氯铝酸盐基熔盐或离子液体为电解液的电池。负极发生铝沉积/剥离，正极发生氯铝酸根离子或铝离子嵌入/剥离或转化反应，实现电荷储存和释放。

"铝电池具有电池容量高、安全性高和使用寿命长的优点."北京科技大学冶金与生态工程学院教授、博士生导师王伟表示，与传统锂电池相比，铝电池有很多优势，因为铝的理论比容量为2.98安时/克，仅次于锂；理论比容容量为8.05安时/立方厘米，居所有金属之首，所以铝电池的电池容量理论上限很高。而且由于铝电池的负极金属铝性质稳定，电解液不可燃，所以即使铝电池被击穿短路，也不会出现燃烧爆炸等危险现象。

2015年，王伟课题组研发出一种以室温离子液体为电解质，石墨为阳极，铝为阴极的新型非水铝电池。该电池系统具有高达2伏的放电电压、优异的循环稳定性和倍率性能，显示出巨大的实用潜力。此后，非水铝电池逐渐成为世界范围内储能领域的研究热点。

但在后续的研究过程中，相关研究人员发现，由于离子液体电解液的强酸性，溶解在电解液中的高容量正极材料通常存在循环寿命短的问题。此外，离子液体电解液易吸水，空气稳定性差，易分解，因此电解液的开发已成为非水铝电池的重要研究方向。

“这项最新研究，通过使用一种低熔点的无机氯化物熔盐电解质，成功替代了目前广泛使用的离子液体电解质，实现了铝电池的高倍率运行、低电压极化和高能效。”王伟说，由于低熔点熔盐电解质的热稳定性和不燃性高，解决了大规模集成系统的安全问题。“从室温离子液体电解质的开发到一系列高电压、高容量铝电池体系的构建，大量研究成果推动了非水铝电池走向实用化。”他说。

铝电池仍有“美中不足”

虽然铝电池具有良好的应用前景，近年来取得了显著突破，但其反应动力学不足、能量密度低、部分体系容量衰减严重等缺点仍有待改进。

据报道，在使用离子液体电解质的铝电池体系中，基于嵌入/脱出反应机理的石墨材料可逆容量有限，会导致电池整体能量密度较低；基于转化反应机理，硫等正极材料在低温运行时表现出高比容量的特点，但其存在反应动力学慢、充放电电压极化大、充放电倍率性能差、循环寿命短等缺点，会大大降低电池的能量效率。

“非水可充电铝离子电池的正极材料通常面临电导率低和结构解体的问题。”据王伟介绍，包埋材料在循环过程中的体积变化，不仅使材料的导电性变差，还会导致电极膨胀崩解，活性物质粉化。此外，嵌入的过渡金属化合物还存在放电电压低、容量低、容量衰减快的问题，比锂离子电池严重得多。转换材料普遍面临不可逆反应和库仑效率低的问题，电池的放电容量在前几次循环后急剧下降，表现为容量衰减快，循环稳定性差。

同时，铝作为负极材料，其电极表面有一层钝化层，会降低电池的电压和效率。铝的严重腐蚀还会导致不可逆的铝消耗，从而降低铝电极的利用率；而且循环过程中的铝枝晶生长也会降低电池的安全性和循环寿命。

王伟表示，目前非水可充电铝离子电池商业化的一些障碍还包括缺乏廉价且耐腐蚀的集流体和能够在酸性AlCl3基电解质中稳定工作的不可分解的粘结剂。“目前除了玻璃碳、钽、铂等价格昂贵的材料外，很少有稳定廉价的材料可以用作集流体。”他说，在非水可充电铝离子电池中，粘结剂的作用一直被忽略，因此通过修改现有粘结剂体系和开发新的粘结剂来提高电池性能的研究很少。

铝电池的实际应用前景

据了解，储能技术与新能源的应用和电网的发展紧密相连，可以有效提高能源利用效率，解决偏远地区的供电问题。因此，储能技术是新能源发展中不可绕过的关键环节。业内人士认为，储能电池的未来应该在风电和光电行业，尤其是已经广泛布局的风电行业。虽然风电行业近年来发展迅速，但由于风电资源的不稳定性，一直困扰着并网问题，而储能技术的应用可以帮助风电场顺利出力，“削峰填谷”。

铝电池的优点是安全性高、稳定性好、宽温性能优异。因此，王伟认为，未来铝电池将与储能系统、特种设备等行业密切相关。

"今天的储能设备市场仍然保持着快速的发展速度."王伟表示，预计到2025年，仅中国电化学储能市场的功率规模就将达到28.6 GW，市场份额将达到1287亿元。整个行业的市场规模有万亿美元的市场潜力。

电化学储能技术因其建设周期短、运行成本低、对环境无影响而成为电网应用储能技术解决新能源接入的首选。目前，锂离子电池以其高能量密度的特性在电化学储能技术中占据主导地位。然而，高昂的成本、有限的锂资源和安全性极大地限制了其大规模储能应用。

铝电池由于成本低、壳元素含量高、比容量大，被认为是除锂离子电池之外最有实际应用前景的一种电池。更重要的是，铝电池系统安全性高。新型铝电池投产后，将解决大规模集成系统的安全问题。

王伟表示，未来在“双碳”背景下，储能电池标准应更加注重环境、能源、资源效益的提升，构建绿色低碳循环发展的标准框架，遵循先立后破的原则，积极有序推进。同时，应重视国际合作，协调规则，充分考虑不同国家的国情和发展阶段，最大程度实现会计规则和会计制度的互认，共同促进绿色低碳发展。