储能技术：新型快充铝离子电池

近日，来自斯坦福大学的探究人员公布了一种可以在一分钟内完成充放电的超常性能新型铝离子电池。

但惊人的充放电速度还不是这个电池的唯一突破，它还是首款可以给普通用电器提供足够工作电压并能持续充电数百次的铝质电池。换句话说，这是首个真正能用的铝离子电池。

但这种电池也不是没有缺陷。还有很多原因导致其短期内无法应用在智能手机或者是电动车上。

本文将对这种新的铝电池技术进行介绍，并探究它的性能标准及对其潜在应用的影响。

铝电池里究竟有什么？

为了存储电能，电池需要两种能在期间产生电势差的材料，同时还需要一种可以在这两种材料间阻止电子移动但允许离子移动的电解质。

近日推出的这种铝离子电池使用简单的铝金属作为负极（阴极），一种特殊的三维石墨泡沫作为正极（阳极）。正负极之间被一种含有氯化1-乙基-3-甲基咪唑和无水氯化铝的电解质隔离着。选择这种电解质是因为它含有可移动的AlCl4-离子，可以在充放电时在电池的两极交换。

为了测试这款电池的实用性，来自斯坦福的学者们制作了一个实验电池，并以不同速率进行充电和放电以测试：1）电池可存储的能量；2）电池的充放电速度；3）电池可重复充放电次数。

它能存储多少能量呢？

电池可以存储的能量由两个因素决定：其正负极间的电势差和电池材料能以电子和离子形式存储的电荷数。

根据荷电状态的不同，铝电池两极的电势差大约在2-2.5伏之间。这比锂电池通常的3.5-4伏的电势差要低。这就意味着大概两倍数量的铝电池串联起来才能产生和锂电池等同的电压。

每千克铝离子电池可以存储约70安时的电荷量，这大约是锂电池120-160安时的二分之一。

综合上述情况来看，铝离子电池的低电压和低电容量使得它的能量密度只有一般锂离子电池的四分之一（铝离子电池为40瓦时/千克，而锂离子电池为160瓦时/千克）。因此如果要用铝离子电池给你的手机，笔记本或者电动车供电的话就需要一个质量为相应锂电池四倍的电池。它可以产生多少电能呢？

储能容量是衡量电池性能的一个重要标准，但并不是唯一标准。另一个重要标准是功率容量，也就是它可以安全并有效地进行充放电的速率。

电池充放电的速度取决于电池的材料发生电化学反应的速度和电离子在电池内部散射的速度。

斯坦福的学者特意把他们的铝离子电池设计为可以快速充放电的电池。为了加快电离子在电池负极的移动速度，他们研发了一种由独特的三维石墨泡沫制成的阴极，而其内部间距和表面积能加速离子移动。

斯坦福的铝离子电池使用了一种独特的三维石墨泡沫以加快离子在电池内的移动速率并达到了空前的充放电速度。

这种独特的负极可以使铝离子电池以空前的速度充放电。研究人员们以在一分钟内充满并完全放电的速率进行了电池充放电的测试。最终发现这种电池可以在一分钟内充满电，并在无显著容量降低或是效率受损的前提下在48秒到1.5小时内放电。

铝离子电池的快速充放电能力使其相比于传统锂电池有了决定性的优势。以质量为基准，一个一千克的铝电池可以产生3000瓦的功率—足够供给两到三个普通家庭的电量，尽管其持续时间不超过一分钟。相比之下，一个普通的锂离子电池只能产生大约200W的功率，大概只有斯坦福铝离子电池功率容量的十分之一。

它能使用多久呢？

铝电池独特的三维石墨泡沫阴极不仅仅让它有了快速充放电的能力，它还使得电池可以充放电数千次而无明显的材料退化或是容量损失。

为测试电池在不同状况下的使用寿命，斯坦福的研究人员对电池进行了数千次一分钟内的快速充放电。在超过7500次的充放电循环里，研究人员发现电池容量基本没有损耗。

这幅图展示了在铝电池7500次充放电的过程中所测得的充电容量，放电容量及库仑效率。充放电容量在7500次循环中没有减少的事实证明使用次数并不会造成电池容量的减少。电荷效率始终接近100%则证明电池中存储的电荷在放电时又出现了，并未在副反应或者其他过程中被消耗。

这就和充放电1000-3000次后电池容量就会显著减少的锂离子电池形成了鲜明的对比。因此，铝电池具有比传统锂电池更耐用的潜力。

不过，斯坦福的研究者还没能证明他们的电池何以经受时间的考验，因此铝离子电池能否持续足够的时间来实现电力系统的应有还是个未知数。因为每次测试的充放电过程仅在一分钟内就能完成，7500次充放电只能证明其具有短短几周的使用时间。如果有其它被动反应会造成电池在长时间内退化，那么铝电池也许还不能像电力系统应用要求的那样持续多年。

它可以应用在哪些地方？

根据以上的性能特征，斯坦福的铝离子电池可以应用在需要快速充放电及充放电数以千次而不会有容量损耗的应用上。它在需要高能量密度的应用上不会起太大作用，因为它的的能量密度大约只有现有锂离子电池的四分之一。

因此，短时间内斯坦福的铝电池并不会用在你们的手机，平板电脑或者电动车上。尽管它可以让你在一分钟给你的手机或汽车充满电，但它也会大大增加你手机或汽车的重量。

但是，有朝一日铝电池或许会被应用在电网上。利用斯坦福的铝电池来为电网提供平衡和电力存储以协调电力供应和需求或许是再合适不过的了。因为这需要大功率电池多次充放电而无性能衰退。如果斯坦福的铝离子电池可以在未来以足够低的成本生产，那么它或许有可能用来为电网提供这一服务。