研究人员开发了一种完全由丰富且廉价的材料制成的新型电池，可以为风能和太阳能等可再生能源提供低成本的备用存储。

由廉价、丰富的材料制成的铝硫电池可以为可再生能源提供低成本的备用存储。

随着世界各地越来越大的风能和太阳能发电系统的安装，对经济的大型备用系统的需求正在快速增长，以便在空气平静和太阳下山时提供电力。今天的锂离子电池对于大多数此类应用来说仍然过于昂贵。抽水蓄能等其他选项需要特定的地形，但并不总是可用。

现在，麻省理工学院和其他地方的科学家已经开发出一种新型电池，完全由丰富且廉价的材料制成，可以帮助填补这一空白。

今天（2022 年 8 月 24 日）在《自然》杂志上描述了使用铝和硫作为两种电极材料，中间有熔盐电解质的新电池架构。这篇论文由麻省理工学院教授唐纳德·萨多威和其他 15 位在麻省理工学院和中国、加拿大、肯塔基州和田纳西州的人撰写。

“我想发明一种比锂离子电池更好、更好的东西，用于小型固定存储，最终用于汽车 [用途]，”John F. Elliott 材料化学名誉教授 Sadoway 解释说。

除了价格昂贵之外，锂离子电池还含有易燃的电解质，使其不太适合运输。因此，Sadoway 开始研究元素周期表，寻找可能能够替代锂的廉价、地球资源丰富的金属。他说，商业上占主导地位的金属铁不具备高效电池所需的电化学特性。然而，市场上第二丰富的金属——实际上也是地球上最丰富的金属——是铝。“所以，我说，好吧，让我们把它做成一个书挡。它将是铝的，”他说。

电池的三个主要成分是：左、铝；中心，硫；对了，岩盐晶体。所有这些都是国内可用的地球丰富的材料，不需要全球供应链。

然后决定将铝与另一个电极配对，以及在充电和放电过程中在两者之间放置什么样的电解质来来回携带离子。所有非金属中最便宜的是硫，因此成为第二电极材料。至于电解质，“我们不会使用挥发性、易燃的有机液体”，这些液体有时会导致汽车和锂离子电池的其他应用发生危险火灾，Sadoway 说。他们尝试了一些聚合物，但最终研究了各种熔点相对较低的熔盐——接近水的沸点，而不是接近 1000华氏度（538摄氏度）) 对于许多盐。他说，“一旦你的体温降到接近体温，就可以制造不需要特殊绝缘和防腐措施的电池”。

他们最终得到的三种成分既便宜又容易获得。首先是铝，和超市的铝箔没什么区别。其次是硫，它通常是石油精炼等工艺的废物。最后，广泛使用的盐。“原料很便宜，而且东西很安全——它不会燃烧，”萨多威说。

在他们的实验中，该团队表明，电池可以以极高的充电率承受数百次循环，预计每个电池的成本约为同类锂离子电池的六分之一。他们表明，充电速率很大程度上取决于工作温度，110 摄氏度（230 华氏度）的充电速率比 25°C（77°F）快 25 倍。

令人惊讶的是，该团队仅仅因为熔点低而选择熔盐作为电解质，结果证明它具有偶然的优势。电池可靠性的最大问题之一是枝晶的形成，枝晶是在一个电极上形成的窄金属尖峰，最终会生长到另一个电极上，从而导致短路并影响效率。但是这种特殊的盐，它发生，非常擅长防止这种故障。

他们选择的氯铝酸盐“基本上消除了这些失控的枝晶，同时还允许非常快速的充电，”Sadoway 说。“我们以非常高的充电速率进行了实验，充电时间不到一分钟，我们从未因枝晶短路而丢失电池。”

“这很有趣，”他说，因为整个焦点都集中在寻找熔点最低的盐上，但最终得到的链状氯铝酸盐却能抵抗短路问题。“如果我们一开始就试图防止树枝状短路，我不确定我是否知道如何实现这一目标，”Sadoway 说。“我想这对我们来说是偶然的。”

此外，电池不需要外部热源来维持其工作温度。热量是通过电池的充电和放电以电化学方式自然产生的。“当你充电时，你会产生热量，这可以防止盐结冰。然后，当你放电时，它也会产生热量，”Sadoway 说。例如，在太阳能发电设施用于负载均衡的典型装置中，“你会在阳光明媚的时候储存电力，然后在天黑后取电，你每天都会这样做。而这种充电-空闲-放电-空闲足以产生足够的热量来保持物体的温度。”

他说，这种新的电池配方非常适合为单个家庭或中小型企业供电所需的大小，产生数十千瓦时的存储容量。

对于较大的装置，公用事业规模可达数十到数百兆瓦时，其他技术可能更有效，包括 Sadoway 和他的学生几年前开发的液态金属电池，它构成了一家名为 Ambri 的衍生公司的基础，该公司希望在明年内交付其第一批产品。对于这项发明，Sadoway 最近获得了今年的欧洲发明家奖。

Sadoway 说，较小规模的铝硫电池也将使其适用于电动汽车充电站等用途。他指出，当电动汽车在道路上变得足够普遍，以至于几辆汽车想要同时充电时，就像今天的汽油燃料泵一样，“如果你尝试用电池来做到这一点并且想要快速充电，那么安培数只是如此之高，以至于我们在为设施供电的线路中没有那么多安培数。” 因此，拥有这样一个电池系统来存储电力，然后在需要时快速释放它可以消除安装昂贵的新电源线来为这些充电器服务的需要。

这项新技术已经成为一家名为 Avanti 的新衍生公司的基础，该公司已将专利授权给该系统，该系统由 Sadoway 和 Luis Ortiz '96 ScD '00 共同创立，后者也是 Ambri 的联合创始人。“公司的首要任务是证明它可以大规模运作，”Sadoway 说，然后对其进行一系列压力测试，包括运行数百个充电周期。

基于硫的电池会冒产生与某些形式的硫相关的恶臭的风险吗？没有机会，Sadoway 说。“臭鸡蛋味在硫化氢气体中。这是元素硫，它将被封闭在细胞内。” 他说，如果你想在厨房里打开锂离子电池（请不要在家里尝试这个！），“空气中的水分会发生反应，你会开始产生各种臭味。气体也是如此。这些都是合理的问题，但电池是密封的，它不是开放式容器。所以我不会担心这个。”

Reference: “Fast-charging aluminium–chalcogen batteries resistant to dendritic shorting” by Quanquan Pang, Jiashen Meng, Saransh Gupta, Xufeng Hong, Chun Yuen Kwok, Ji Zhao, Yingxia Jin, Like Xu, Ozlem Karahan, Ziqi Wang, Spencer Toll, Liqiang Mai, Linda F. Nazar, Mahalingam Balasubramanian, Badri Narayanan and Donald R. Sadoway, 24 August 2022, Nature.

DOI: 10.1038/s41586-022-04983-9

该研究团队包括来自中国北京大学、云南大学和武汉理工大学的成员；肯塔基州路易斯维尔大学；加拿大滑铁卢大学；田纳西州橡树岭国家实验室；和麻省理工学院。这项工作得到了麻省理工学院能源倡议、麻省理工学院德什潘德技术创新中心和新奥集团的支持。