低成本电池的新概念

这项新技术已经成为一家名为 Avanti 的新衍生公司的基础，该公司已授权该系统的专利，该公司由 Sadoway 和 Luis Ortiz '96 ScD '00 共同创立，他也是 Ambri 的联合创始人。萨多韦说：“公司的首要任务是证明它可以大规模运行，”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存在产生与某些形式的硫相关的恶臭气味的风险？萨多维说，没有机会。“臭鸡蛋味存在于气体中，即硫化氢。这是元素硫，它将被封闭在细胞内。” 他说，如果你试图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，你会开始产生各种污物。”气体也是如此。这些都是合理的问题，但电池是密封的，不是开放的容器。所以我不会担心这个。”

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；阿贡国家实验室，伊利诺伊州；和麻省理工学院。这项工作得到了麻省理工学院能源计划、麻省理工学院德什潘德技术创新中心和新奥集团的支持。

随着世界范围内风能和太阳能发电系统的建设规模越来越大，对经济型大型备用系统的需求也在快速增长，以便在太阳落山、空气平静时提供电力。如今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则需要特定的地形，而这种地形并不总是可用的。

现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员开发了一种新型电池，完全由丰富且廉价的材料制成，可以帮助填补这一空白。

麻省理工学院教授 Donald Sadoway 以及麻省理工学院和中国的其他 15 人今天在《自然》杂志上发表了一篇论文，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。

“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]，”John F. Elliott 材料化学荣誉教授 Sadoway 解释道。

除了价格昂贵之外，锂离子电池还含有易燃电解质，使其不太适合运输。因此，萨多韦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——实际上也是地球上最丰富的金属——是铝。“所以，我说，好吧，我们就把它当作书挡吧。它将是铝，”他说。

然后决定将铝与另一个电极配对，以及在充电和放电过程中在其间放置哪种电解质来来回携带离子。所有非金属中最便宜的是硫，因此它成为第二种电极材料。至于电解质，“我们不会使用挥发性、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，萨多韦说。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 1,000 华氏度。他说，“一旦温度降至接近体温，制造不需要特殊绝缘和防腐措施的电池就变得可行”。

他们最终得到的三种原料既便宜又容易买到——铝，和超市里的铝箔没有什么不同；硫，通常是石油精炼等过程中产生的废物；和广泛使用的盐。“原料很便宜，而且很安全——它不会燃烧，”萨多韦说。

在他们的实验中，该团队表明，电池可以在极高的充电速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，充电速率高度依赖于工作温度，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，该团队选择熔盐作为电解质只是因为其熔点低，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，枝晶是一种狭窄的金属尖峰，在一个电极上形成，最终生长到接触另一个电极，从而导致短路并影响效率。但这种特殊的盐恰好可以很好地防止这种故障。

萨多韦说，他们选择的氯铝酸盐“基本上消除了这些失控的枝晶，同时也允许非常快速的充电”。“我们以非常高的充电速率进行实验，充电时间不到一分钟，而且我们从未因枝晶短路而丢失电池。”

“这很有趣，”他说，因为整个重点是寻找熔点最低的盐，但他们最终得到的连接氯铝酸盐证明能够抵抗短路问题。“如果我们一开始就试图防止树突短路，我不确定我是否知道如何实现这一目标，”萨多韦说。“我想这对我们来说是机缘巧合。”

此外，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。“充电时会产生热量，从而防止盐冻结。然后，当你放电时，它也会产生热量，”萨多韦说。例如，在用于太阳能发电设施负载均衡的典型装置中，“在阳光明媚时储存电力，然后在天黑后汲取电力，并且每天都会这样做。这种充电-空闲-放电-空闲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的安装规模，可产生数十千瓦时的存储容量。

对于大型装置，达到数十至数百兆瓦时的公用事业规模，其他技术可能更有效，包括萨多韦和他的学生几年前开发的液态金属电池，该电池构成了一家名为 Ambri 的衍生公司的基础，该公司希望明年交付第一批产品。凭借这项发明，萨多韦最近荣获了今年的欧洲发明家奖。

萨多韦说，较小的铝硫电池也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，就像今天的汽油燃油泵一样，“如果你尝试用电池做到这一点，并且你想要快速充电，那么安培数就只是如此之高，以至于我们在为该设施供电的线路中没有那么多的安培数。” 因此，拥有这样的电池系统来存储电力，然后在需要时快速释放电力，可以消除安装昂贵的新电源线来为这些充电器提供服务的需要。