好的電池需要滿足兩個條件：為設(shè)備供電的高能量密度和穩(wěn)定性，因此可以安全可靠地充電數(shù)千次。在過去的三十年中，鋰離子電池一直占據(jù)主導(dǎo)地位，在智能手機、筆記本電腦和電動汽車中證明了其性能。

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但電池研究人員已經(jīng)開始接近鋰離子的極限。隨著下一代遠程車輛和電動飛機開始進入市場，人們正在加緊尋找更安全、更便宜、更強大、性能優(yōu)于鋰離子電池的電池系統(tǒng)。

由喬治·W·伍德拉夫機械工程學(xué)院和材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授MatthewMcDowell領(lǐng)導(dǎo)的佐治亞理工學(xué)院研究小組正在使用鋁箔制造具有更高能量密度和更大能量的電池。穩(wěn)定。該團隊的新電池系統(tǒng)在《自然通訊》中詳細介紹，可以使電動汽車一次充電運行更長時間，并且制造成本更低，同時對環(huán)境產(chǎn)生積極影響。

麥克道爾說：“我們一直在尋找能量密度更高的電池，這將使電動汽車一次充電可以行駛更遠的距離?！薄坝腥さ氖?，我們可以使用鋁作為電池材料，因為它具有成本效益、高度可回收且易于使用?！?/p>

用鋁制造電池的想法并不新鮮。研究人員在20世紀70年代研究了它的潛力，但效果不佳。

當(dāng)用于傳統(tǒng)的鋰離子電池時，由于鋰進出材料時的膨脹和收縮，鋁會在幾次充放電循環(huán)內(nèi)破裂并失效。開發(fā)人員得出的結(jié)論是，鋁不是一種可行的電池材料，因此這個想法基本上被放棄了。

現(xiàn)在，固態(tài)電池已經(jīng)進入人們的視野。鋰離子電池含有可能導(dǎo)致火災(zāi)的易燃液體，而固態(tài)電池含有不易燃的固體材料，因此可能更安全。正如本研究所示，固態(tài)電池還可以集成新型高性能活性材料。

該項目最初是佐治亞理工學(xué)院團隊與領(lǐng)先的鋁制造商和全球最大的鋁回收商諾貝麗斯之間的合作，是佐治亞理工學(xué)院諾貝麗斯創(chuàng)新中心的一部分。研究小組知道，當(dāng)鋁用作電池陽極(電池帶負電的一側(cè)，用于儲存鋰以產(chǎn)生能量)的材料時，將具有能源、成本和制造方面的優(yōu)勢，但純鋁箔在電池中測試時很快就會失效。。

該團隊決定采取不同的方法。他們沒有在箔中使用純鋁，而是在鋁中添加了少量其他材料，以制造具有特定“微觀結(jié)構(gòu)”或不同材料排列的箔。他們測試了100多種不同的材料，以了解它們在電池中的表現(xiàn)。

“我們需要采用一種材料來解決鋁作為電池陽極的基本問題，”博士YuhgeneLiu說。麥克道爾實驗室的學(xué)生和該論文的第一作者。“與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，我們的新型鋁箔陽極在固態(tài)電池中實現(xiàn)時性能和穩(wěn)定性顯著提高?！?/p>

佐治亞理工學(xué)院馬修·麥克道爾實驗室制造的固態(tài)電池。圖片來源：佐治亞理工學(xué)院

研究小組觀察到，鋁陽極比傳統(tǒng)陽極材料可以儲存更多的鋰，因此可以儲存更多的能量。最終，他們創(chuàng)造了高能量密度電池，其性能可能優(yōu)于鋰離子電池。

“我們對鋁陽極感到興奮的好處之一是它可以提高性能，而且非常具有成本效益，”麥克道爾說?！白钪匾氖?，當(dāng)直接使用箔作為電池組件時，我們實際上刪除了生產(chǎn)電池材料通常所需的許多制造步驟?！?/p>

多家公司正在開發(fā)短程電動飛機，但限制因素是電池。如今的電池?zé)o法容納足夠的能量來為飛機提供飛行距離超過150英里左右的動力。需要新的電池化學(xué)物質(zhì)，麥克道爾團隊的鋁陽極電池可以為更強大的電池技術(shù)打開大門。

“這些鋁箔陽極的初步成功為發(fā)現(xiàn)其他潛在電池材料提供了新方向，”劉說?！斑@有望為重新構(gòu)想更加能源優(yōu)化和更具成本效益的電池架構(gòu)開辟道路?！?/p>

該團隊目前正在努力擴大電池的尺寸，以了解尺寸如何影響鋁的行為。該小組還積極探索其他材料和微觀結(jié)構(gòu)，目標(biāo)是為電池系統(tǒng)制造非常便宜的箔。

麥克道爾說：“這是一個關(guān)于一種早已為人所知的材料的故事，但在電池開發(fā)的早期就基本上被放棄了?！薄暗珣{借新知識，結(jié)合新技術(shù)——固態(tài)電池——我們已經(jīng)找到了如何使這個想法煥發(fā)活力并實現(xiàn)真正有前途的性能。”

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