桌上的三个小玻璃杯（从左到右）、微小的银色铝珠、棕橙色液体和白色盐晶体

标题:电池的三种主要成分是铝（左）、硫（中）和岩盐晶体（右）。所有这些都是国内可用的地球上丰富的材料，不需要全球供应链。

学分:图片：丽贝卡·米勒

随着世界建设越来越大的风能和太阳能发电系统，对经济、大规模备用系统的需求正在快速增长，以便在太阳下山和空气平静时提供电力。今天的锂离子电池对于大多数此类应用来说仍然过于昂贵，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。

 

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。

 

新的电池结构使用铝和硫作为其两种电极材料，中间有熔盐电解质，今天在《自然》杂志、麻省理工学院教授唐纳德·萨多威以及麻省理工学院和中国的其他 15 位教授发表的论文中有所描述、加拿大、肯塔基州和田纳西州。

 

“我想发明一种比锂离子电池更好、更好的东西，用于小型固定存储，并最终用于汽车[用途]，”Sadoway 解释说，他是 John F. Elliott 材料化学名誉教授。

 

除了价格昂贵之外，锂离子电池还含有易燃的电解质，这使得它们不太适合运输。因此，Sadoway 开始研究元素周期表，寻找地球上储量丰富的廉价金属来替代锂。他说，商业上占主导地位的金属铁不具备高效电池所需的电化学特性。但市场上第二丰富的金属——实际上是地球上最丰富的金属——是铝。“所以，我说，好吧，让我们把它做成书挡吧。它将是铝，”他说。

 

然后决定将铝与什么配对用于另一个电极，以及在充电和放电过程中将哪种电解质放入其中来回携带离子。所有非金属中最便宜的是硫，因此成为第二个电极材料。至于电解质，“我们不打算使用挥发性、易燃的有机液体”，这些液体有时会导致汽车和锂离子电池的其他应用发生危险的火灾，Sadoway 说。他们尝试了一些聚合物，但最终发现了各种熔点相对较低的熔盐——接近水的沸点，而许多盐的熔点接近 1000 华氏度。他说，“一旦你的温度降到接近体温，制造不需要特殊绝缘和防腐措施的电池就变得实用了”。

 

他们最终得到的三种原料都很便宜而且很容易买到——铝，和超市里的铝箔没什么区别；硫磺，通常是石油精炼等过程中的废品；和广泛使用的盐。“成分很便宜，而且东西很安全——它不会燃烧，”Sadoway 说。

 

在他们的实验中，该团队表明电池可以在极高的充电率下承受数百次循环，预计每个电池的成本约为同类锂离子电池的六分之一。他们表明，充电速率在很大程度上取决于工作温度，110 摄氏度（230 华氏度）的充电速率比 25 摄氏度（77 华氏度）快 25 倍。

 

令人惊讶的是，团队选择熔盐作为电解质仅仅是因为其熔点低，结果却具有偶然的优势。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狭窄金属尖峰，最终会长到与另一个电极接触，从而导致短路并影响效率。但碰巧，这种特殊的盐非常善于防止这种故障。

 

他们选择的氯铝酸盐“基本上使这些失控的树突退役，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，充电不到一分钟，而且我们从未因枝晶短路而丢失电池。”

 

“这很有趣，”他说，因为整个重点都放在寻找熔点最低的盐上，但他们最终得到的链状氯铝酸盐却证明可以抵抗短路问题。“如果我们从试图防止树枝状短路开始，我不确定我会知道如何追求它，”Sadoway 说。“我想这对我们来说是偶然的。”

 

更重要的是，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。“当你充电时，你会产生热量，这可以防止盐结冰。然后，当你放电时，它也会产生热量，”Sadoway 说。例如，在用于太阳能发电设施负载均衡的典型装置中，“你会在阳光明媚时储存电力，然后在天黑后汲取电力，你每天都会这样做。充电-闲置-放电-闲置足以产生足够的热量来保持物体的温度。”

 

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规模的安装，产生大约几十千瓦时的存储容量。

 

对于更大的装置，达到几十到几百兆瓦时的公用事业规模，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，该公司希望明年内交付第一批产品。由于这项发明，Sadoway 最近获得了今年的欧洲发明家奖。

 

Sadoway 说，较小规模的铝硫电池也将使其可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非常普遍时，几辆汽车都想同时充电，就像今天汽油燃料泵所发生的那样，“如果你试图用电池来充电，并且你想要快速充电，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大的安培数。” 因此，拥有像这样的电池系统来存储电力，然后在需要时快速释放电力，可以消除为这些充电器安装昂贵的新电源线的需要。

 

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，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。

 

基于硫的电池是否会产生与某些形式的硫相关的恶臭？没有机会，Sadoway 说。“臭鸡蛋味在气体中，硫化氢。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！），“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，不是敞开的容器。所以我不会担心这个。”

 

研究团队成员来自中国北京大学、云南大学和武汉理工大学；肯塔基州路易斯维尔大学；加拿大滑铁卢大学；伊利诺伊州阿贡国家实验室；和麻省理工学院。这项工作得到了麻省理工学院能源计划、麻省理工学院 Deshpande 技术创新中心和 ENN 集团的支持。

 

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纸

论文：“耐枝晶短路的快速充电铝硫属元素电池”

媒体提及

波士顿环球报

名誉教授唐纳德·萨多威 (Donald Sadoway) 和他的同事开发了一种更安全、更具成本效益的电池来存储可再生能源，波士顿环球报的大卫·阿贝尔 (David Abel) 报道。Sadoway 说，这种电池“来源合乎道德，价格低廉，效率高，而且不会着火”。

 

 全文来自波士顿环球报 →

科学

据 Robert F. Service for Science报道，来自麻省理工学院和其他地方的研究人员已经开发出一种新的具有成本效益的电池设计，该电池依赖于铝离子。“电池可能会成为重磅炸弹，”Service 写道，“因为铝很便宜；与锂电池相比，这些电池的材料成本将降低 85%。”

 

 全文来自科学 →

福布斯

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种使用铝和硫的电池，这两种廉价且丰富的材料，福布斯的 Alex Knapp 和 Alan Ohnsman 报道。“电池可用于多种应用，”Knapp 和 Ohnsman 写道。

 

 

据The Daily Beast 的Tony Ho Tran 报道，麻省理工学院的研究人员使用廉价且丰富的材料制造了一种新电池来储存和提供电力。“该研究的作者认为，当太阳不发光或空气静止时，电池可用于支持现有的绿色能源系统，例如太阳能或风能，”Tran 写道。 

 

 

New Scientist的亚历克斯·威尔金斯 (Alex Wilkins) 报道说，唐纳德·萨多威 (Donald Sadoway) 教授和他的同事开发出一种电池，可以在不到一分钟的时间内充满电，以与锂离子电池相似的密度储存能量，而且不易着火。“尽管电池在 110°C（230°F）的相对高温下运行，”Wilkins 写道，“它是耐火的，因为它使用不能燃烧的无机盐作为电解质，这种材料可以充电在电池内部流动。” Sadoway 解释说，“这是一种全新的电池化学物质。”