便宜、高容量和快速：新的铝电池技术！你需要知道的一切

新技术有一个经典的讽刺意味，采用者被迫将自己限制在每个人都想要的三件事中的两件事上：快速、便宜和好。当技术是电池时，采用更具挑战性。便宜和快速（充电）仍然很重要，但“好”可能意味着不同的东西，例如重量轻、体积小或使用寿命长，具体取决于您的需求。尽管如此，仍涉及相同类型的权衡。如果你想要真正快速充电，你可能不得不放弃一些容量。

尽管铅锂在技术和制造能力方面具有巨大的优势，但这些权衡仍使对替代电池化学物质的研究继续进行——仍然希望其他一些化学物质可以大幅降低价格或大幅提升某种性能。

今天，一篇论文正在发表，该论文似乎提供了低廉的价格，并在其中几项措施中得到了很大的推动。它描述的铝硫电池提供廉价的原材料、具有竞争力的尺寸和比锂离子更大的单位重量容量——在不到一分钟的时间内完全充电电池的巨大优势。它现在面临的一个明显问题是它需要在 90° C（接近水的沸点）才能工作。

铝可以吗？

人们一直在思考基于铝的电池，因为它们的理论容量很高。虽然每个铝原子都比锂重一点，但铝原子和离子在物理上更小，因为原子核的较高正电荷会稍微吸引电子。此外，铝很容易每个原子放弃多达三个电子，这意味着您可以为每个涉及的离子转移大量电荷。

一个大问题是，从化学上讲，铝有点糟糕。许多铝化合物极不溶于水，它们的氧化物非常稳定，等等——在几次充电/放电循环后，很容易发生一些本应是轻微副反应的事情来破坏电池。因此，虽然工作仍在继续，但高理论能力往往看起来像在实践中永远无法实现的东西。

新工作的关键是意识到我们已经解决了制造铝金属电极的一个大问题——我们刚刚在一个完全不同的领域做到了。纯金属电极大大提高了简单性和体积，因为不涉及真正的化学，而且您不需要额外的材料来填充金属离子。但是金属往往会不均匀地沉积在电池电极上，最终会产生称为树突的刺，这些刺会不断生长，直到它们损坏其他电池组件或将电池完全短路。因此，弄清楚如何均匀地沉积金属一直是一个很大的障碍。

这里的一个关键认识是我们已经知道如何均匀地沉积铝。当我们想将铝电镀到其他金属上时，我们总是这样做。

它通常使用熔融的氯化铝盐来完成。在熔盐中，铝和氯离子倾向于形成交替原子的长链。当铝沉积在一个表面上时，它往往会从这些链的中心出来，而链的其余部分的物理体积使得在平坦的表面上更容易做到这一点。

在熔盐中，铝离子也可以从一个电极快速移动到另一个电极。最大的问题是氯化铝仅在 192°C 时熔化。但加入一点氯化钠和氯化钾可将其降至 90°C——低于水的沸点并且与更大范围的附加材料兼容。

盐三明治

这样，研究人员就拥有了三分之二的电池。一个电极是铝金属，电解质是液态氯化铝。这留下了第二个电极有待识别。在这里，有很多将铝作为元素与元素周期表中低于氧的元素（例如硫或硒）的化合物存储的例子。出于成像目的，该团队与 selenium 合作，创建了一个实验性电池并确认其行为符合预期。

铝的成像显示，经过一些充电和放电循环后，表面有些块状，但没有可能损坏电池的大的或尖锐的延伸。硒电极上的反应似乎在熔盐中开始，然后在电极表面上结束。总体而言，该电池在数十次循环中表现出稳定的性能，以及铝应提供的高容量单位重量。因此，该团队继续建造和测试他们真正感兴趣的电池：铝硫。

在慢速放电时，铝硫电池的单位重量充电容量是锂离子电池的三倍以上。这个数字随着充电/放电率的上升而下降，但性能仍然很好。如果电池在 2 小时内放电并在 6 分钟内充电，它的单位重量充电容量仍比锂离子电池高 25%，并且在 500 次循环后仍保持大约 80% 的容量——远远超出您的容量。 d 见于大多数锂化学物质。

如果将充电时间缩短到一分钟多一点，单位重量的容量大致等于锂离子电池的容量，并且在 200 次循环后仍有超过 80% 的容量可用。电池甚至可以在 20 秒内完全充电，尽管单位重量的容量只有锂离子电池的一半多一点。

一些注意事项

这里有一些值得注意的警告。一是电池需要在 110°C 左右才能获得这种性能。具有良好的绝缘性，这只需要一个小加热器就可以使东西熔化；在那之后，充电/放电循环期间产生的热量应该保持工作正常。而且，虽然绝缘可能会增加电池的体积，但您可以在没有一些锂离子应用所需的冷却硬件的情况下摆脱困境。

更大的警告是，如果材料受到任何水污染，电池将开始产生硫化氢，这种硫化氢既有毒又高度易燃。因此，虽然电池不会像某些锂离子电池那样着火，但如果其内容物与环境接触，那么在盐冷却并凝固之前，有一段时间可能发生火灾风险。

在权衡的有利方面，每体积的电荷可能与一些现有的锂化学物质相似，而且原材料成本几乎低得可笑——研究人员计算出低于每千瓦时 9 美元，或大约 15% 的锂-离子。化学反应也不是特别挑剔。研究人员从杂货店拿起铝箔，发现它作为电极工作得很好。这暗示了大规模生产仍可能与这些手工电池的高性能兼容的可能性。

最后，该团队指出，化学的简单性应该会提高电池在报废时的可回收性。

这并不是说这项技术可以让我们打出通向电池必杀技的单程票。虽然已经成立了一家公司来将这项技术商业化，但已经有一个庞大的基础设施专门用于锂离子电池的生产，而且那里的技术也在不断改进。但是，如果主流电池的原材料供应受到限制，那么完全基于大量化学物质的技术可能会非常有用。