铝离子电池全面概述

电池研发公司 Saturnose 发布了能量密度超过 600Wh/kg 的增强型铝离子 (Ea2I) 电池。只需充电12分钟，即可提供1200多公里的续航里程，可使用2万余次。

充放电循环，稳定使用寿命至少15年。该公司声称将在2022年实现该电池的量产，成为全球首款商用铝离子固态电池。铝离子电池在电池行业的应用前景越来越广阔。

铝离子电池的发展

以钴酸锂为正极、石墨为负极的锂离子电池以其重量轻、能量密度高、使用寿命长等优点，一直是储能领域的“中流砥柱”。在此背景下，新能源产业的蓬勃发展对储能器件提出了更高的要求。

锂离子电池由于储量有限和价格高昂，开始有些力不从心的感觉。地壳中金属铝的含量居金属之首，年开采量是金属锂的1000多倍，而且价格非常便宜。此外，金属铝具有很高的电荷储存能力，每个铝原子都可以充放电。

 

释放多达3个电子并具有非常高的能量密度。相比之下，锂只能释放一个电子。因此，以铝为负极的铝离子电池有望成为替代电池系统的最佳选择。

铝离子电池的优势与问题

首先，该电池采用三维石墨烯作为电池的正极材料。石墨烯具有极好的导电性和巨大的比表面积，可以大大缩短电池的充电时间，提高循环稳定性。其次，安全性好也是铝离子电池的一大优势。

该电池采用的([EMIm]Al x Cl y )离子电解液可燃性低，不存在易燃、爆炸等安全问题。团队成员还对电池进行了安全测试。电池在充放电过程中，即使用电钻打入电池，也不会燃烧，能正常工作一段时间。

铝电池的另一个突出特点是柔性，可以任意弯曲或折叠，因此也有应用于柔性电子设备的潜力。

铝离子电池的未来是光明的，值得期待，但仍存在一些技术问题，主要包括：

1. 工作电压远低于锂离子电池工作电压；
2. 存储容量有待提高；
3. 离子电解液的湿度敏感性导致合成条件苛刻、储存难度增加等问题，弱酸性化学性质容易导致电池金属外壳腐蚀。

 

此外，昂贵的离子电解质不可避免地增加了电池的生产成本。因此，对铝离子电池的研究大多致力于新型正负极材料和替代离子电解液的开发，并取得了突破。

铝离子电池正极材料

在说正极材料之前，我们先简单介绍一下铝离子电池的工作原理。铝离子电池的工作原理与锂离子电池类似。以石墨正极为例，在放电过程中，负极端的Al金属被氧化生成Al3+，在电场力的作用下，电解液中的Al3+和[AlaClb]-离子团簇被嵌入正极材料中形成AlxCly化合物。

 这两种离子插层后形成的AlxCly化合物通过范德华力与石墨阴极相互作用，保持结构和化学稳定性。充电过程中，嵌在石墨正极中的AlxCly析出形成Al3+和[AlaClb]-离子簇，Al3+返回负极表面被还原形成Al单质。

Al3+在正负极之间来回穿梭，加上[AlaClb]-离子团簇的协同嵌入和脱嵌，形成了铝离子电池的充放电过程。具体涉及的氧化还原反应如下：

放电过程：

Al - 3e- → Al3+（负极）

Al3+ + [AlaClb]- + e- → AlxCly（正极）

充电过程：

Al3+ + 3e- → Al（负极）

AlxCly -e- → Al3+ + [AlaClb]- (正极)

与锂电池不同，Al单体在氧化反应过程中一次释放多达3个电子，因此具有更高的理论能量密度。需要提及的一个小细节是，[AlaClb]-离子簇的尺寸远大于Al3+，因此铝离子电池的插层反应往往需要具有层状结构的正极材料。

 

总的来说，目前铝离子电池负极材料主要有碳基材料、过渡金属氧化物、过渡金属硫、硒化物等，说到碳基材料，国内有一些著名的碳基复合材料公司 。他们在制造碳基复合材料方面拥有丰富的经验。

对于比容量和倍率性能的提升，我们主要从改变碳基材料的结构和掺杂非金属元素两个方向入手。改变材料结构的方法包括增加比表面积、增加层间距、减少层间层级等。

比表面积的增加可以促进非法拉第反应过程，有效增加双电层电容，增加层间距离，有利于[AlaClb]-离子的快速进出，提高速率电池的性能。与碳基材料相比，过渡金属化合物作为正极材料的报道较少。

尽管过渡金属氧化物具有较高的初始比容量，但它们通常在循环过程中衰减得更快，因为氧化物与 Al3+ 之间存在牢固的键合。铝离子之间的静电相互作用导致铝离子的动力学反应缓慢，也在一定程度上限制了电池的倍率性能和循环稳定性。

 

如何看待增强型铝离子固态电池

目前，Saturnose发布的增强型铝离子固态电池具有以下优势：

• 高能量密度

目前，磷酸铁锂和三元锂电池是锂电池市场的主流。他们的高镍材料+硅碳负极电池结构可以达到300Wh/kg左右的能量密度，已经接近理论极限，即使是理论上更高能量密度的固态电池。

 

威力2021年1月发布的半固态锂电池产品，能量密度仅为360Wh/kg左右，全固态锂电池技术尚未突破技术壁垒。业内专家表示，5年内不会商业化。与铝离子电池相比，Saturnose声称其增强型铝离子固态电池的能量密度为550-750 Wh/kg。

以能量密度下限550Wh/kg计算，是国轩高科高镍三元锂电池的1.83倍，是蔚来半固态电池的1.52倍。超越了市场上已经相对成熟的三元高镍电池和固态电池。

• 高电池寿命

高能量密度意味着高耐力。Saturnose声称，565kg、150kWh的铝离子电池组可为电动汽车提供超过1200km的续航里程，充电时间仅为12分钟。

对比锂离子电池，主流锂离子电池的满载续航一般在200-400公里。当电池电量耗尽时，充电时间为 8-10 小时。即使是快速充电也至少需要 2 小时。单从数据来看，这无疑是一次革命性的进步。

• 高稳定的使用寿命

在提供1200公里续航里程的同时，铝离子电池可进行20000次以上的充放电循环，电化学性能无明显下降，即稳定使用寿命为15年。锂离子电池的充放电循环次数为5000次，仅为铝离子电池的1/4。

• 安全性能高

这种电池采用混合纳米技术开发快速充电电极和电解质，并使用铝、铌和固体电解质。正极材料采用高能、无序的岩盐结构，避免了锂枝晶和热失控起火等问题。极高的安全性能。

• 性价比高

Saturnose 表示，铝离子电池每千瓦的成本比锂电池目前的成本低 50%。因为电池使用铝、铌等元素，没有使用镍和钴，铝元素丰富。

概括

目前，铝离子电池的研究还处于起步阶段，电池的各个组成部分还有很大的优化空间，比如铝负极表面氧化膜的调控，以及新型、无毒、低腐蚀、廉价的电解液的研发。

如果这些问题得到彻底解决，再加上其他技术指标和成本的优势，这种廉价、安全、高速充电、灵活长寿命的铝离子电池将在日常生活中得到广泛应用。特别需要强调的是，由于铝离子电池的特性，在一些需要高能量密度的应用领域不太可能与锂离子电池直接竞争。

相反，它们的低成本、良好的循环寿命和安全性使其在特别强调成本、循环寿命和安全性的应用中非常有用，例如大规模智能电网储能。