北大团队研发高安全熔融盐铝电池，可实现分钟级超快充，成本是锂离子电池的六分之一

目前，在电化学储能技术中，锂离子电池尤其是磷酸铁锂电池占据市场主导地位。但是，目前锂资源价格波动，及资源战略等问题日益凸显，使其成本居高不下。并且，由于其本征的安全问题，未来锂离子电池在大规模储能的应用存在不确定性。

从国家政策方面也不难看出，发展新型储能以快速、健康实现中国“双碳”战略是大势所趋，最近国家各部委陆续出台了相关政策。今年 6 月，国家发改委、国家能源局发布《关于进一步推动新型储能参与电力市场和调度运用的通知》指出，“要建立完善适应储能参与的市场机制，鼓励新型储能自主选择参与电力市场，坚持以市场化方式形成价格，持续完善调度运行机制，发挥储能技术优势，提升储能总体利用水平，保障储能合理收益，促进行业健康发展。”

因此，开发新型电池作为锂离子电池的替代方案也持续更新，科研及产业界共同将关注点集中在低成本、资源丰富、高本征安全的电池，例如最近兴起的钠离子电池和液流电池等。

▲图丨北京大学材料科学与工程学院助理教授庞全全（来源：庞全全）

近日，北京大学材料科学与工程学院庞全全团队和麻省理工学院唐纳德·R·萨多威（Donald R. Sadoway）团队以及滑铁卢大学、美国阿贡国家实验室等合作，研发了一种不可燃、超低物料成本、可达到分钟级超快充的中温熔融盐铝电池。

该电池可以在较低的温度~110℃ 下运行，因其独特的脱溶剂化动力学，适用于多种大规模储能应用场景，如发电侧清洁能源消纳配储，电网侧的调频、调峰，用户侧的峰谷套利、工商业电源等。

▲图丨相关论文（来源：Nature）

北京时间 8 月 25 日，相关论文以《无晶枝短路的快速充电铝硫电池》（Fast-charging aluminium–chalcogen batteries resistant to dendritic shorting）为题发表在 Nature 上[1]。

有望应用于大规模储能、工商业电源、智慧微网等场景

大规模储能有非常多元、复杂的场景，例如发电侧（清洁能源并网、减少弃风弃光），电网侧（电网调频、调峰）、用户侧（工业电源、家庭储能）以及野外基站电源等。

该工作的主要推动者、北京大学材料科学与工程学院助理教授庞全全表示，中国的大规模储能市场将来会达到万亿规模， 其中电化学储能灵活性高、响应速度快、不受地域限制，将成为重要的一部分。他举例说道：“2021 年中国新型储能装机规模为 5.3GW，而其中近 90% 为锂电池。”

该团队本次研发的新型铝电池由于成本低、快充能力强，有望为发电侧清洁能源并网、电网侧的调频、调峰等领域应用带来突破。除了大规模储能场景之外，该电池体系还可以用于用户侧的峰谷套利以及工商业电源。

同时，由于该电池能量密度与磷酸铁锂电池相比在电芯层面上不相上下，且能实现快充，该团队也在积极探讨未来作为动力电池应用于新能源汽车的可能性。

▲图丨新型熔融盐铝电池的铝负极工作情况（来源：Nature）

庞全全指出，“虽然抽水蓄能当前占据了中国储能市场的 90%，但是有机构预测 2025 年后甚至更早，可建设的抽水蓄能电站将达到饱和，而电化学储能对地域空间要求低、可模块化，我认为将是未来储能的重要方式，无可替代。”

正是考虑到当前电化学储能发展现状与市场的实际需求，该团队从设计开发阶段起，就将可产业化的新型储能电池作为目标。“该技术既简化了冷却系统，又避免了高温封装问题，且电池可以靠自身焦耳热维持运行温度，热管理能耗比锂离子电池反而更低。”庞全全表示。

电芯物料成本预计为目前锂离子电池的 12–16%

开发高性能、有效益的铝电池一直是学界和产业界的一个目标，因为铝（Al）作为地壳中第三大丰度的元素,资源极为丰富，并且其原料成本低。但是，目前的铝电池通常使用离子液体电解液，其制造成本较高，且常温动力学性能较差。

庞全全指出，“由于 AI³⁺ 离子的极化能力强，其离子扩散能垒和脱溶剂化断键势垒较高，常规基于嵌入/转化反应的一些电极材料反应动力学缓慢、充放电电压极化大、放电倍率性能差、循环寿命短等缺点, 极大降低了电池的能量效率。”

该团队首先通过使用低价的无机氯化物熔融盐电解质，使其具有丰富的高阶 Al_nCl3_n+1 组分。庞全全表示，“此组分有利于脱溶剂化，这也是我们解决反应动力学的最根本原因。”要知道，这种无机熔融盐电解质成本将非常之低，例如其中就包含大家日常食用的氯化钠盐，同时无机盐不可燃，本征安全性高。

▲图丨对电池体系的同步辐射机理研究（来源：Nature）

同时，该电池基于高比容量的硫正极，硫的中间产物在熔融盐电解质中具有一定的溶解度，其转化反应可逆性高、电压极化极小，因此体现出超高的实际比容量和能量效率。而同时硫是极为丰富且廉价的元素，当前学界研究的正极材料中，硫的低价优势明显。

根据论文，该电池可以在较低的温度 110℃ 左右下运行，电压计划可以减小至 50mV, 能量效率高。电池可以实现 10C-100C、甚至 200C 的极快速充电（秒级），例如在 10C 的充电倍率下表现出 500 mAh g⁻¹ 的高容量。

▲图丨对该新型电池体系的电芯能量密度和材料成本的预测估算（来源：Nature）

该电池循环稳定性强，在没有进一步的优化下，可以在 5-10C 的高充电倍率下以及在 50-100C 的超高充电倍率下维持数百圈循环。庞全全表示，“根据我们的计算，以软包电池为大尺寸电芯的结构原型，电芯的总体能量密度可达 526 Wh L^-1 与其他锂离子电池体系相当，而电芯物料成本预计将低至目前锂离子电池的 12–16%（8.99 美元/kW·h）。”

低价格是该电池快速切入大规模储能应用的最底层支持因素。据介绍，该价格的预估是基于软包电池为大尺寸电芯的结构原型，将铝金属负极、硫正极（硫、碳、粘结剂、集流体）、熔融盐电解质、隔膜、极耳、软包包装等部分包括在内，采取当前实验达到或预计可以达到的组分和结构参数，按照当前市场原料价格，进行的完整估算。

将进一步发展大尺寸电芯的技术开发和工艺优化

庞全全的电化学能源技术实验室以电化学技术手段为切入点，以解决能源领域存在的共性问题。他本科毕业于华中科技大学材料科学与工程系，硕士及博士毕业于加拿大滑铁卢大学，并在那里从事博士后研究。从博士阶段他就开始研究锂硫电池，至今已在锂硫电池方面开展了近十年的研究，积累了丰富的经验。

无机熔融盐电解质的制备来源于工业较为常规的原料，而且熔融盐在某些特定高温电解行业具有广泛的应用，这些都将为该技术的产业化发展提供借鉴经验。

庞全全表示，铝金属负极本来就是锂离子电池的正极集流体，供应已经成熟；硫正极方面，有一些锂硫电池企业已经完成电极材料和工艺开发并初步实现量产，该电池体系的硫电极由于使用熔盐电解质，将具有更低的工艺要求。

▲图丨庞全全团队（来源：庞全全）

接下来，将完成大尺寸电芯的技术开发和工艺优化，借鉴锂离子电池现有工艺，在现有锂离子电池电芯部件、电芯结构、组装封装工艺上进行改进，攻克电芯内部特定组成部件的开发。配套相应的热管理系统，开发电池智能监控和控制算法及硬件，完成该电池体系的温度和能量管理，将熔融盐铝硫电池落地。

参考资料：
1.Pang, Q., Meng, J., Gupta, S. et al.  Nature 608, 704–711 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04983-9