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。

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 AlnCl3n+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). 网页链接

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飞扬在阻力最小处08-30 07:52

不说缺点的技术都是耍流氓