目前，在電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，鋰離子電池尤其是磷酸鐵鋰電池占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。但是，目前鋰資源價(jià)格波動(dòng)，及資源戰(zhàn)略等問(wèn)題日益凸顯，使其成本居高不下。并且，由于其本征的安全問(wèn)題，未來(lái)鋰離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能的應(yīng)用存在不確定性。

從國(guó)家政策方面也不難看出，發(fā)展新型儲(chǔ)能以快速、健康實(shí)現(xiàn)中國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略是大勢(shì)所趨，最近國(guó)家各部委陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)政策。今年 6 月，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步推動(dòng)新型儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)和調(diào)度運(yùn)用的通知》指出，“要建立完善適應(yīng)儲(chǔ)能參與的市場(chǎng)機(jī)制，鼓勵(lì)新型儲(chǔ)能自主選擇參與電力市場(chǎng)，堅(jiān)持以市場(chǎng)化方式形成價(jià)格，持續(xù)完善調(diào)度運(yùn)行機(jī)制，發(fā)揮儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提升儲(chǔ)能總體利用水平，保障儲(chǔ)能合理收益，促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展。”

因此，開(kāi)發(fā)新型電池作為鋰離子電池的替代方案也持續(xù)更新，科研及產(chǎn)業(yè)界共同將關(guān)注點(diǎn)集中在低成本、資源豐富、高本征安全的電池，例如最近興起的鈉離子電池和液流電池等。

▲圖丨北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院助理教授龐全全（來(lái)源：龐全全）

近日，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院龐全全團(tuán)隊(duì)和麻省理工學(xué)院唐納德·R·薩多威（Donald R. Sadoway）團(tuán)隊(duì)以及滑鐵盧大學(xué)、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等合作，研發(fā)了一種不可燃、超低物料成本、可達(dá)到分鐘級(jí)超快充的中溫熔融鹽鋁電池。

該電池可以在較低的溫度~110℃ 下運(yùn)行，因其獨(dú)特的脫溶劑化動(dòng)力學(xué)，適用于多種大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景，如發(fā)電側(cè)清潔能源消納配儲(chǔ)，電網(wǎng)側(cè)的調(diào)頻、調(diào)峰，用戶側(cè)的峰谷套利、工商業(yè)電源等。

▲圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Nature）

北京時(shí)間 8 月 25 日，相關(guān)論文以《無(wú)晶枝短路的快速充電鋁硫電池》（Fast-charging aluminium–chalcogen batteries resistant to dendritic shorting）為題發(fā)表在 Nature 上[1]。

有望應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)能、工商業(yè)電源、智慧微網(wǎng)等場(chǎng)景

大規(guī)模儲(chǔ)能有非常多元、復(fù)雜的場(chǎng)景，例如發(fā)電側(cè)（清潔能源并網(wǎng)、減少棄風(fēng)棄光），電網(wǎng)側(cè)（電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰）、用戶側(cè)（工業(yè)電源、家庭儲(chǔ)能）以及野外基站電源等。

該工作的主要推動(dòng)者、北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院助理教授龐全全表示，中國(guó)的大規(guī)模儲(chǔ)能市場(chǎng)將來(lái)會(huì)達(dá)到萬(wàn)億規(guī)模， 其中電化學(xué)儲(chǔ)能靈活性高、響應(yīng)速度快、不受地域限制，將成為重要的一部分。他舉例說(shuō)道：“2021 年中國(guó)新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模為 5.3GW，而其中近 90% 為鋰電池。”

該團(tuán)隊(duì)本次研發(fā)的新型鋁電池由于成本低、快充能力強(qiáng)，有望為發(fā)電側(cè)清潔能源并網(wǎng)、電網(wǎng)側(cè)的調(diào)頻、調(diào)峰等領(lǐng)域應(yīng)用帶來(lái)突破。除了大規(guī)模儲(chǔ)能場(chǎng)景之外，該電池體系還可以用于用戶側(cè)的峰谷套利以及工商業(yè)電源。

同時(shí)，由于該電池能量密度與磷酸鐵鋰電池相比在電芯層面上不相上下，且能實(shí)現(xiàn)快充，該團(tuán)隊(duì)也在積極探討未來(lái)作為動(dòng)力電池應(yīng)用于新能源汽車(chē)的可能性。

▲圖丨新型熔融鹽鋁電池的鋁負(fù)極工作情況（來(lái)源：Nature）

龐全全指出，“雖然抽水蓄能當(dāng)前占據(jù)了中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)的 90%，但是有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè) 2025 年后甚至更早，可建設(shè)的抽水蓄能電站將達(dá)到飽和，而電化學(xué)儲(chǔ)能對(duì)地域空間要求低、可模塊化，我認(rèn)為將是未來(lái)儲(chǔ)能的重要方式，無(wú)可替代。”

正是考慮到當(dāng)前電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展現(xiàn)狀與市場(chǎng)的實(shí)際需求，該團(tuán)隊(duì)從設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段起，就將可產(chǎn)業(yè)化的新型儲(chǔ)能電池作為目標(biāo)。“該技術(shù)既簡(jiǎn)化了冷卻系統(tǒng)，又避免了高溫封裝問(wèn)題，且電池可以靠自身焦耳熱維持運(yùn)行溫度，熱管理能耗比鋰離子電池反而更低。”龐全全表示。

電芯物料成本預(yù)計(jì)為目前鋰離子電池的 12–16%

開(kāi)發(fā)高性能、有效益的鋁電池一直是學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的一個(gè)目標(biāo)，因?yàn)殇X（Al）作為地殼中第三大豐度的元素,資源極為豐富，并且其原料成本低。但是，目前的鋁電池通常使用離子液體電解液，其制造成本較高，且常溫動(dòng)力學(xué)性能較差。

龐全全指出，“由于 AI3+ 離子的極化能力強(qiáng)，其離子擴(kuò)散能壘和脫溶劑化斷鍵勢(shì)壘較高，常規(guī)基于嵌入/轉(zhuǎn)化反應(yīng)的一些電極材料反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢、充放電電壓極化大、放電倍率性能差、循環(huán)壽命短等缺點(diǎn), 極大降低了電池的能量效率。”

該團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)使用低價(jià)的無(wú)機(jī)氯化物熔融鹽電解質(zhì)，使其具有豐富的高階 AlnCl3n+1 組分。龐全全表示，“此組分有利于脫溶劑化，這也是我們解決反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的最根本原因。”要知道，這種無(wú)機(jī)熔融鹽電解質(zhì)成本將非常之低，例如其中就包含大家日常食用的氯化鈉鹽，同時(shí)無(wú)機(jī)鹽不可燃，本征安全性高。

▲圖丨對(duì)電池體系的同步輻射機(jī)理研究（來(lái)源：Nature）

同時(shí)，該電池基于高比容量的硫正極，硫的中間產(chǎn)物在熔融鹽電解質(zhì)中具有一定的溶解度，其轉(zhuǎn)化反應(yīng)可逆性高、電壓極化極小，因此體現(xiàn)出超高的實(shí)際比容量和能量效率。而同時(shí)硫是極為豐富且廉價(jià)的元素，當(dāng)前學(xué)界研究的正極材料中，硫的低價(jià)優(yōu)勢(shì)明顯。

根據(jù)論文，該電池可以在較低的溫度 110℃ 左右下運(yùn)行，電壓計(jì)劃可以減小至 50mV, 能量效率高。電池可以實(shí)現(xiàn) 10C-100C、甚至 200C 的極快速充電（秒級(jí)），例如在 10C 的充電倍率下表現(xiàn)出 500 mAh g1 的高容量。

▲圖丨對(duì)該新型電池體系的電芯能量密度和材料成本的預(yù)測(cè)估算（來(lái)源：Nature）

該電池循環(huán)穩(wěn)定性強(qiáng)，在沒(méi)有進(jìn)一步的優(yōu)化下，可以在 5-10C 的高充電倍率下以及在 50-100C 的超高充電倍率下維持?jǐn)?shù)百圈循環(huán)。龐全全表示，“根據(jù)我們的計(jì)算，以軟包電池為大尺寸電芯的結(jié)構(gòu)原型，電芯的總體能量密度可達(dá) 526 Wh L-1 與其他鋰離子電池體系相當(dāng)，而電芯物料成本預(yù)計(jì)將低至目前鋰離子電池的 12–16%（8.99 美元/kW·h）。”

低價(jià)格是該電池快速切入大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的最底層支持因素。據(jù)介紹，該價(jià)格的預(yù)估是基于軟包電池為大尺寸電芯的結(jié)構(gòu)原型，將鋁金屬負(fù)極、硫正極（硫、碳、粘結(jié)劑、集流體）、熔融鹽電解質(zhì)、隔膜、極耳、軟包包裝等部分包括在內(nèi)，采取當(dāng)前實(shí)驗(yàn)達(dá)到或預(yù)計(jì)可以達(dá)到的組分和結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照當(dāng)前市場(chǎng)原料價(jià)格，進(jìn)行的完整估算。

將進(jìn)一步發(fā)展大尺寸電芯的技術(shù)開(kāi)發(fā)和工藝優(yōu)化

龐全全的電化學(xué)能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室以電化學(xué)技術(shù)手段為切入點(diǎn)，以解決能源領(lǐng)域存在的共性問(wèn)題。他本科畢業(yè)于華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系，碩士及博士畢業(yè)于加拿大滑鐵盧大學(xué)，并在那里從事博士后研究。從博士階段他就開(kāi)始研究鋰硫電池，至今已在鋰硫電池方面開(kāi)展了近十年的研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

無(wú)機(jī)熔融鹽電解質(zhì)的制備來(lái)源于工業(yè)較為常規(guī)的原料，而且熔融鹽在某些特定高溫電解行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用，這些都將為該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

龐全全表示，鋁金屬負(fù)極本來(lái)就是鋰離子電池的正極集流體，供應(yīng)已經(jīng)成熟；硫正極方面，有一些鋰硫電池企業(yè)已經(jīng)完成電極材料和工藝開(kāi)發(fā)并初步實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，該電池體系的硫電極由于使用熔鹽電解質(zhì)，將具有更低的工藝要求。

▲圖丨龐全全團(tuán)隊(duì)（來(lái)源：龐全全）

接下來(lái)，將完成大尺寸電芯的技術(shù)開(kāi)發(fā)和工藝優(yōu)化，借鑒鋰離子電池現(xiàn)有工藝，在現(xiàn)有鋰離子電池電芯部件、電芯結(jié)構(gòu)、組裝封裝工藝上進(jìn)行改進(jìn)，攻克電芯內(nèi)部特定組成部件的開(kāi)發(fā)。配套相應(yīng)的熱管理系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)電池智能監(jiān)控和控制算法及硬件，完成該電池體系的溫度和能量管理，將熔融鹽鋁硫電池落地。