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。”

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。“該技術既簡化了冷卻系統，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）。”

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。