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麻省理工发布新概念的低成本电池

2022-08-29 10:08:08 MIT 阅读:
麻省理工学院(MIT)和其他机构的研究人员合作开发出一种新型电池,完全由丰富且廉价的材料制成,可为可再生能源提供低成本的备用存储。

随着世界建造越来越大的风能和太阳能发电系统,对经济的大型备用系统的需求正在快速增长,以便在太阳下山且空气平静时提供电力。对于大多数此类应用而言,今天的锂离子电池仍然过于昂贵,而抽水蓄能等其他选择需要特定的地形,而这并不总是可用的。4nnednc

现在,麻省理工学院和其他地方的研究人员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。4nnednc

麻省理工学院教授 Donald Sadoway 和其他 15 位来自麻省理工学院和中国北京大学、云南大学和武汉理工大学的研究学者近日在《nature》杂志上描述了这种新的电池架构,它使用铝和硫作为两种电极材料,中间有熔盐电解质、加拿大、肯塔基州和田纳西州。4nnednc

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麻省理工学院教授Donald Sadoway表示:“我想发明出一种比锂离子电池更好的电池,用于小型固定存储,并最终用于汽车。”4nnednc

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、地球上丰富的金属。他说,商业上占主导地位的金属铁不具备适合高效电池的电化学特性,因此他将市场上第二丰富的金属,也是地球上最丰富的金属铝,选作为电池研究的新方向。4nnednc

研究人员决定将铝用作一个电极,并将非金属中最便宜的硫作为第二电极的材料。至于电极之间的电解质,研究人员首先排除了易挥发且易燃的有机液体,然后尝试各种聚合物,最终确定使用熔点相对较低(接近水的沸点)的熔盐。这样当温度降低到体温时,制造电池就无需特殊绝缘和防腐措施。4nnednc

他们最终得到的三种成分既便宜又容易获得——铝,与超市的铝箔没有什么不同;硫,通常是石油精炼等工艺的废物;和广泛可用的盐。“原料很便宜,而且东西很安全——它不会燃烧,”萨多威说。4nnednc

在实验中,该团队表明,该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。研究人员称,充电速率很大程度上取决于工作温度,110℃下的充电速率是25℃下的25倍。4nnednc

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,结果却发现该材料还有其他意想不到的优势。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。但是这种特殊的盐可有效防止枝晶生成。4nnednc

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。”4nnednc

“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。”4nnednc

更重要的是,该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。Sadoway表示:“电池充放电时都会产生热量,从而可以防止盐结晶。例如,在太阳能发电设施用于负载均衡的典型装置中,通常是在阳光明媚的时候储存电力,然后在天黑后取电,而充电-空闲-放电-空闲这一流程足以产生足够的热量来保持物体的温度。”4nnednc

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。4nnednc

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。4nnednc

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。4nnednc

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。4nnednc

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。”4nnednc

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。4nnednc

参考链接:A new concept for low-cost batteries;Demi Xia编译4nnednc

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