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北大團隊研發高安全熔融鹽鋁電池,成本是鋰離子電池的六分之一

   2022-08-30 8470
導讀

目前,在電化學儲能技術中,鋰離子電池尤其是磷酸鐵鋰電池占據市場主導地位。但是,目前鋰資源價格波動,及資源戰略等問題日益凸顯,使其成本居高不下。并且,由于其本征的安全問題,未來鋰離子電池在大規模儲能的應

目前,在電化學儲能技術中,鋰離子電池尤其是磷酸鐵鋰電池占據市場主導地位。但是,目前鋰資源價格波動,及資源戰略等問題日益凸顯,使其成本居高不下。并且,由于其本征的安全問題,未來鋰離子電池在大規模儲能的應用存在不確定性。





從國家政策方面也不難看出,發展新型儲能以快速、健康實現中國“雙碳”戰略是大勢所趨,最近國家各部委陸續出臺了相關政策。今年 6 月,國家發改委、國家能源局發布《關于進一步推動新型儲能參與電力市場和調度運用的通知》指出,“要建立完善適應儲能參與的市場機制,鼓勵新型儲能自主選擇參與電力市場,堅持以市場化方式形成價格,持續完善調度運行機制,發揮儲能技術優勢,提升儲能總體利用水平,保障儲能合理收益,促進行業健康發展。”





因此,開發新型電池作為鋰離子電池的替代方案也持續更新,科研及產業界共同將關注點集中在低成本、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。



▲圖丨北京大學材料科學與工程學院助理教授龐全全(來源:龐全全)



近日,北京大學材料科學與工程學院龐全全團隊和麻省理工學院唐納德·R·薩多威(Donald R. Sadoway)團隊以及滑鐵盧大學、美國阿貢國家實驗室等合作,研發了一種不可燃、超低物料成本、可達到分鐘級超快充的中溫熔融鹽鋁電池。





該電池可以在較低的溫度~110℃ 下運行,因其獨特的脫溶劑化動力學,適用于多種大規模儲能應用場景,如發電側清潔能源消納配儲,電網側的調頻、調峰,用戶側的峰谷套利、工商業電源等。



▲圖丨相關論文(來源:Nature)



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



有望應用于大規模儲能、工商業電源、智慧微網等場景




大規模儲能有非常多元、復雜的場景,例如發電側(清潔能源并網、減少棄風棄光),電網側(電網調頻、調峰)、用戶側(工業電源、家庭儲能)以及野外基站電源等。





該工作的主要推動者、北京大學材料科學與工程學院助理教授龐全全表示,中國的大規模儲能市場將來會達到萬億規模, 其中電化學儲能靈活性高、響應速度快、不受地域限制,將成為重要的一部分。他舉例說道:“2021 年中國新型儲能裝機規模為 5.3GW,而其中近 90% 為鋰電池?!?/span>





該團隊本次研發的新型鋁電池由于成本低、快充能力強,有望為發電側清潔能源并網、電網側的調頻、調峰等領域應用帶來突破。除了大規模儲能場景之外,該電池體系還可以用于用戶側的峰谷套利以及工商業電源。



同時,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,且能實現快充,該團隊也在積極探討未來作為動力電池應用于新能源汽車的可能性。



▲圖丨新型熔融鹽鋁電池的鋁負極工作情況(來源:Nature)



龐全全指出,“雖然抽水蓄能當前占據了中國儲能市場的 90%,但是有機構預測 2025 年后甚至更早,可建設的抽水蓄能電站將達到飽和,而電化學儲能對地域空間要求低、可模塊化,我認為將是未來儲能的重要方式,無可替代。”





正是考慮到當前電化學儲能發展現狀與市場的實際需求,該團隊從設計開發階段起,就將可產業化的新型儲能電池作為目標?!霸摷夹g既簡化了冷卻系統,又避免了高溫封裝問題,且電池可以靠自身焦耳熱維持運行溫度,熱管理能耗比鋰離子電池反而更低。”龐全全表示。



電芯物料成本預計為目前鋰離子電池的 12–16%




開發高性能、有效益的鋁電池一直是學界和產業界的一個目標,因為鋁(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,且常溫動力學性能較差。



龐全全指出,“由于 AI3+ 離子的極化能力強,其離子擴散能壘和脫溶劑化斷鍵勢壘較高,常規基于嵌入/轉化反應的一些電極材料反應動力學緩慢、充放電電壓極化大、放電倍率性能差、循環壽命短等缺點, 極大降低了電池的能量效率。”



該團隊首先通過使用低價的無機氯化物熔融鹽電解質,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動力學的最根本原因。”要知道,這種無機熔融鹽電解質成本將非常之低,例如其中就包含大家日常食用的氯化鈉鹽,同時無機鹽不可燃,本征安全性高。



▲圖丨對電池體系的同步輻射機理研究(來源:Nature)



同時,該電池基于高比容量的硫正極,硫的中間產物在熔融鹽電解質中具有一定的溶解度,其轉化反應可逆性高、電壓極化極小,因此體現出超高的實際比容量和能量效率。而同時硫是極為豐富且廉價的元素,當前學界研究的正極材料中,硫的低價優勢明顯。





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



▲圖丨對該新型電池體系的電芯能量密度和材料成本的預測估算(來源:Nature)



該電池循環穩定性強,在沒有進一步的優化下,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數百圈循環。龐全全表示,“根據我們的計算,以軟包電池為大尺寸電芯的結構原型,電芯的總體能量密度可達 526 Wh L-1 與其他鋰離子電池體系相當,而電芯物料成本預計將低至目前鋰離子電池的 12–16%(8.99 美元/kW·h)?!?/span>




低價格是該電池快速切入大規模儲能應用的最底層支持因素。據介紹,該價格的預估是基于軟包電池為大尺寸電芯的結構原型,將鋁金屬負極、硫正極(硫、碳、粘結劑、集流體)、熔融鹽電解質、隔膜、極耳、軟包包裝等部分包括在內,采取當前實驗達到或預計可以達到的組分和結構參數,按照當前市場原料價格,進行的完整估算。



將進一步發展大尺寸電芯的技術開發和工藝優化




龐全全的電化學能源技術實驗室以電化學技術手段為切入點,以解決能源領域存在的共性問題。他本科畢業于華中科技大學材料科學與工程系,碩士及博士畢業于加拿大滑鐵盧大學,并在那里從事博士后研究。從博士階段他就開始研究鋰硫電池,至今已在鋰硫電池方面開展了近十年的研究,積累了豐富的經驗。





無機熔融鹽電解質的制備來源于工業較為常規的原料,而且熔融鹽在某些特定高溫電解行業具有廣泛的應用,這些都將為該技術的產業化發展提供借鑒經驗。





龐全全表示,鋁金屬負極本來就是鋰離子電池的正極集流體,供應已經成熟;硫正極方面,有一些鋰硫電池企業已經完成電極材料和工藝開發并初步實現量產,該電池體系的硫電極由于使用熔鹽電解質,將具有更低的工藝要求。



▲圖丨龐全全團隊(來源:龐全全)




接下來,將完成大尺寸電芯的技術開發和工藝優化,借鑒鋰離子電池現有工藝,在現有鋰離子電池電芯部件、電芯結構、組裝封裝工藝上進行改進,攻克電芯內部特定組成部件的開發。配套相應的熱管理系統,開發電池智能監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。


 
(文/小編)
 
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