锂离子电池已成为一种主要的储能选择,而铝则因其潜在的低成本、本质上的安全性和在地壳中的丰富度而引起了人们的兴趣。

康奈尔大学的研究人员重新设计了电池,使铝更容易集成到电池的电极中。新的铝排列导致可充电电池提供多达10000次无错误循环。

在先前尝试使用铝的电池中,金属与玻璃纤维分离器的化学反应,玻璃纤维分离器物理地分成阳极和阴极,使电池短路并失效。

康奈尔大学的研究人员转而设计了一种交织碳纤维的衬底,这种衬底与铝形成更强的化学键。传统充电电池中的电极只有二维的,而康奈尔大学开发的这项技术使用了三维或非平面的电极- - - - - -建筑和创建一个更深,更一致的铝层。

当电池充电时,铝通过共价键或铝和碳原子之间共享电子对沉积到碳结构中。

“基本上,我们使用化学驱动力来促进铝均匀沉积到结构的孔隙中,电极更厚,具有更快的动力学。第一作者郑静旭(肯特)说,他20年获得博士学位,目前是麻省理工学院博士后研究员。

Lynden Archer,康奈尔教授
林登教授

铝阳极电池在实际使用条件下,可比其他铝充电电池多一个或多个数量级的可逆充放电。

该团队的论文,”利用界面金属-衬底键合调节大容量铝、锌电池阳极的电沉积形态发表在4月5日的《自然能源》(Nature Energy)杂志上。

康奈尔大学工程教授领导的研究人员阿切尔林登,一直在探索使用低成本材料来制造可充电电池,使能源存储更便宜。

在以下简短的问答中,Archer阐述了他对铝阳极电池在未来的作用的看法。

yabovip16.com如果铝的成本低且储量丰富,为什么它还没有成为电池的主流使用方式?

林登教授铝作为金属阳极有很多优势。不仅是地球丰富(实际上是第三个最丰富的元素在地壳)和具有成本效益的,但是是三价的,这意味着减少电池阳极金属的可以存储3电子/ Al,收益率非常高存储容量体积或重量的基础上。

制造使用铝阳极的实用电池的主要障碍是:

1)金属很容易形成一个高的电带隙,Al2O3,钝化层,防止准备的电化学存取-大大降低了可逆性的电镀和剥离反应,必须重复发生在电池充放电。

2)像所有活性金属一样,铝在循环过程中会形成斑驳的、苔藓状的和树枝状的沉积物,从阳极的平面上长出来。这一过程松散地称为树枝状生长,当脆弱的沉积物从阳极脱离,并在一个称为孤儿的过程中与外部电流源电断开时,会导致电池过早失效。或者当面外生长通过桥接阳极和阴极导致电池内部短路时。

3)铝离子体积大,三价,在电池中使用的典型液体电解质中形成强溶剂化配合物。这意味着很难找到具有高可逆性的阴极来匹配铝阳极的充电存储容量、成本和寿命。我们的贡献是重要的,因为它解决了所有这三个问题的电池框架,似乎可扩展。

yabovip16.com:您认为铝阳极电池有哪些应用前景?最令人兴奋的可能性是什么?

阿切尔教授:无论在体积还是质量上,铝阳极电池都提供与锂阳极电池相当的存储容量。因此,从理论上讲,在任何锂离子电池的应用中,它们都是下一代存储技术的良好候选者。

当然,铝电池还具有成本低、供应充足、对空气中的水分和氧气敏感性较低的优点,这使得制造更加简单。这些特点意味着,如果可再生能源(如风能和太阳能)发电和交通电气化的发展速度能够满足全球对这些变革日益增长的需求,那么这些电池的生产规模可能会更容易。

我们的技术转化计划将重点放在成本、寿命和电力至关重要的电力和电网存储领域的应用。我相信,如果我们能在这个领域创造出成功的电池系统,它将为以后解决可能出现的规模问题创造机会,随着交通运输领域的电气化在全球范围内的深入发展。

一个18650锂离子电池的例子。
一个18650锂离子电池的例子。

yabovip16.com关于这项研究,您和您的团队下一步将做什么?

阿切尔教授:铝阳极的面积容量和寿命在我们最近的论文中报道比之前的报告大10到100倍,所以结果很有希望。然而,本文报道的全电池研究采用相对较小的(mw规模)CR2032硬币和小袋电池模块作为概念验证型演示平台。

下一步是展示更大(Wh到kWh)规模的电池,保持有益的性能和成本特点的小电池。这也将需要我们的电极制造过程的放大,并详细分析供应链和电池中使用的离子液体电解质组件的成本。

yabovip16.com这个电池的外观与传统设计有什么不同?制造电池有挑战性吗?

阿切尔教授在设计更大版本的铝电池时,我们有意以目前标准的圆柱形18650和平面袋式电池为目标。其目标是创建可以部署在现有系统中以接受18650或包的单元。我们希望能够迅速将这些单元送到第三方手中,以便能够在现实世界中对它们进行评估,从而更有效地识别技术中的差距并消除技术中的风险。

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