18秒就能充滿電的新型動力電池將誕生：比爾蓋茲都押寶了

動力電池的最新研究成果曝光：僅需18秒，就可實現充滿。

成本還僅為主流鋰離子電池的六分之一，論文已發表在Nature雜誌上。

這種電池在低溫時能正常使用、高溫下也能保持穩定。

負責此項專利技術的教授之一，已成立一家電池公司，並獲得專利授權。目前公司已融資810萬美元。

剩下的問題：這種快充、成本更低、更安全的電池，會影響當下動力電池格局嗎？

什麼樣的電池

根據研究成果，這種雙向、快充鋁-硫屬元素電池成本低至每千瓦時8.99美元，是目前鋰離子電池成本的12%-16%。

這種電池的預計電池極能量密度為526Wh/I，與石墨-NMC622等鋰離子電池能量密度相當。

同時不需要額外的主動冷卻系統，還可以避免熱失控和防止火災。

並且幾乎不會有枝晶形成，進而防止電池短路。

怎麼實現的？

首先，新型電池的原材料儲量豐富，且廉價。

這種新型電池正極是硫屬元素，比如硫和硒。

負極是鋁，電解質是由NaCl-KCl-AlCl3組成的熔融氯鋁酸鹽。

眾所周知，鋁是地球上最豐富的金屬元素。同時，硫元素、NaCl、KCl、AlCl3也都是常見的化學物質。

並且本次研究表明，即使使用類似食品包裝鋁箔等劣質鋁製作負極，也不會影響電池性能。

這些因素都大大降低了電池成本。

其次，作為電解液的鹼金屬氯鋁酸鹽熔體比一般熔鹽系統共晶點低得多，約為93?C。

這保證電池在類似110ºC的低溫情況下也能運行，同時在使用中還能保持“自熱”，通過恰當隔熱就能維持自身溫度。

這意味著不需要主動冷卻系統。

而由於熱效應，一般的鋰離子電池都需要冷卻系統，讓電池保持在最佳運行溫度，提高效率。

同時，即使溫度超過500°C，熔鹽電解質仍然具有熱穩定性和非揮發性，不會在高溫下汽化導致電池爆炸、起火。

並且，熔鹽電解質除了熔點低還有另外一個好處：防止電池短路。

這是因為電解質中的Al3+具有去溶劑化的特點，可以防止鋁枝晶生成。

以及最重要的，這種新型電池具有良好的循環穩定性，因此可以快充。

這又是怎麼實現的？

研究原理

論文中主要展示了鋁硒電池和鋁硫電池的性能。

實驗顯示，在NaCl-AlCl3 電解質（熔點約為115°C）中，鋁硒電池即使在 180°C 下的放電反應也很平穩，平均電壓約為0.88V。

同時，在把放電時間縮短至5小時、或者2小時充滿電的速率下，鋁硒電池在50個循環後也沒有電壓衰減，電池容量能維持在300mAh/g。

當滿電時間縮短至18秒，鋁硒電池容量仍保持在75mAh/g。

作為對比，一般鋁金屬電極，電解質會使用EMIC–AlCl3（EMIC：1-乙基-3-甲基咪唑氯化物）。

而EMIC–AlCl3電池在滿電時間縮短至6分鐘（10C）及以下時，電池容量已經接近於0。

研究人員還通過改變充電速率，發現鋁硒電池在滿電時間為2小時（C/2）的情況下，可逆容量為520mAh/g；6分鐘時為190mAh/g；18秒時為75mAh/g。

對於鋁硫電池來說，在NaCl–KCl–AlCl3電解質中（共晶溫度約為93°C），運行溫度可達110°C，電池容量為525mAh/g。

放電時間恆定在2小時的情況下，鋁硫電池即使充電速率提高，滿電時間縮短至6分鐘，電池容量仍能保持在500mAh/g。

當滿電時間縮短至18秒，鋁硫電池容量仍保持在210mAh/g。

相比之下，使用EMIC–AlCl3電池在滿電時間縮短至72秒，溫度升高後，電池容量接近於0。

並且，在論文設定的循環方案下，鋁硫電池可在高充電率（滿電時間為6-12分鐘）和超高充電率（滿電時間為36-72秒）下維持數百個循環。

同時，熔鹽電解質中的Al3+離子沉積在動力學上佔有優勢，因此這種新型電池充電比放電更容易實現更高性能。

研究團隊

 

唐納德·薩多威（Sadoway），是麻省理工學院材料科學與工程系的教授，主要研究非水介質中的電化學，包括熔鹽、低溫電解質的物理化學和電化學。

2020年，薩多威獲得麻省理工學院能源計畫提供的種子基金資助。2022年，薩多威憑藉液態金屬電池獲得歐洲發明家獎。

並且，薩多威和Luis Ortiz共同成立了電池初創公司Avanti，薩多威擔任首席科學顧問。公司已獲得這篇鋁-硫屬元素電池論文研究的專利。在去年4月，公司完成A輪融資，融資金額為810萬美元。

投資公司包括比爾蓋茲的Breakthrough Energy，埃尼集團（世界七大石油集團公司之一）的風險投資子公司Eni Next。

薩多威表示，目前公司的首要任務是證明鋁-硫屬元素電池可以大規模運作，然後進行一系列壓力測試，包括運行數百個充電週期。

除了用作動力電池，較小規模的鋁-硫屬元素電池還可用於電動汽車充電樁，降低建設成本和增加充電速度。

並且這種電池也可以為單個家庭或中小型企業供電，儲存容量約為幾十千瓦時。

薩多威說，這篇研究論文的意義在於提醒人們：“如果願意投入時間和金錢，還有比鋰離子電池更好、更便宜、更安全的技術可供研究。”

Nature論文原文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04983-9