從筆記本電腦和智能手機(jī)到電動汽車和可再生能源儲存，大多數(shù)高科技設(shè)備對電池技術(shù)有明確的要求。過去三十年中，由于其高能量密度和長壽命，鋰離子（Li-ion）電池設(shè)立了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，隨著下一代長程車輛和電動飛機(jī)的出現(xiàn)，鋰離子電池的限制正受到挑戰(zhàn)，尋找更安全、更經(jīng)濟(jì)、更強(qiáng)大的替代品越來越緊迫。

作為地殼中第三豐富的元素，鋁因其性價(jià)比高，供應(yīng)廣泛且不易燃燒得以作為Li-ion電池的可行替代物。在 1970 年代，人們就開始探索使用鋁作為電池材料的可能性。然而，由于鋁在幾次充放電周期后就容易碎裂和退化，因此在傳統(tǒng)的 Li-ion 電池中未能展現(xiàn)出潛力。今天，由佐治亞理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在 Matthew McDowell 的帶領(lǐng)下，他們的開創(chuàng)性研究為基于鋁的電池描繪了新的方向，為鋁基電池提供了新的發(fā)展道路。

陽極的作用及鋁的潛力

陽極在電池的性能中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗鼪Q定了電池可以存儲多少電荷，并可以多快釋放這些電荷。不同的陽極材料可以存儲不同數(shù)量的電荷。例如，作為輕元素的鋰有三個電子，可以釋放其中的一個電子變?yōu)閹д姷匿囯x子。相比之下，鋁是重元素，有 13 個電子，可以釋放其中的三個電子變?yōu)閹д姷匿X離子。因此，鋁陽極有潛力存儲和釋放相較于鋰離子來說的三倍電荷，從而制造出更高能量密度的電池。

然而，這里需要權(quán)衡一下：當(dāng)陽極將其離子釋放到電解質(zhì)時(shí)，它會收縮，而當(dāng)它再次吸收這些離子時(shí)，它會膨脹。這種膨脹和收縮可能會導(dǎo)致陽極隨著時(shí)間的推移變得越來越薄并退化，進(jìn)而終止電池的壽命。這正是為什么早期使用鋁陽極的電池設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題的原因 - 鋁的過度膨脹和收縮導(dǎo)致電池在幾次充放電周期后就失敗。

顛覆性的發(fā)現(xiàn)

佐治亞理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)利用鋁箔開發(fā)了具有更高能量密度和改進(jìn)穩(wěn)定性的電池。研究發(fā)現(xiàn)將“微結(jié)構(gòu)”納入鋁箔中。研究團(tuán)隊(duì)在鋁中引入了少量其他材料，從而制造出具有特定屬性的箔。他們測試了一百多種不同的材料，以了解它們在電池中的行為。這樣，鋁就可以在充電和放電時(shí)膨脹和收縮，而不會破裂，使其成為陽極的適合材料。

研究結(jié)果

研究表明，鋁陽極是電池優(yōu)化的關(guān)鍵，鋁陽極比傳統(tǒng)的陽極材料能夠裝載更多的鋰，能夠存儲鋰以產(chǎn)生能量。此增加的容量導(dǎo)致了更高的能量密度。這項(xiàng)重大的改進(jìn)暗示，在固態(tài)電池中的鋁箔陽極有可能超越鋰離子電池的性能。

未來展望和應(yīng)用

隨著團(tuán)隊(duì)對電池尺寸的拓寬以及對其他材料和微結(jié)構(gòu)的研究，他們的目標(biāo)是創(chuàng)造出對電池系統(tǒng)具有極高性價(jià)比的箔。在過去被認(rèn)為是不切實(shí)際的研究領(lǐng)域中，鋁箔陽極電池正在為潛在電池材料的探索打開道路。說明電氣汽車和電動飛機(jī)等電源數(shù)量較大的設(shè)備應(yīng)用選擇了一種有更漫長的未來前景的方向。它們有著潛力來改進(jìn)能源的利用效率，并簡化了電池電池單元的設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)開支，使電池在更寬范圍的應(yīng)用中更易獲得和付得起，最終有助于實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)和節(jié)能的世界。

其他可能的電池材料

除了鋁，還有其他一些可能作為陽極的材料，如硅，它具有石墨的十倍能量密度，石墨常用于傳統(tǒng)的Li-ion電池陽極。然而，硅在體積膨脹和在多周期內(nèi)的穩(wěn)定性方面遇到了與鋁相似的挑戰(zhàn)。在硅鋰離子電池也有著積極的研究。目前也有研究對鈉離子電池，這可能為Li-ion電池提供更經(jīng)濟(jì)及對環(huán)境更友好的選擇，這歸因于鈉的豐富和可回收的特性。

這些研究可能是發(fā)掘電力電池潛力中的一個個小進(jìn)步。但我們相信，未來這些技術(shù)的不斷創(chuàng)新和完善會持續(xù)推動儲能的發(fā)展。