方向错了？比起钠电池，铝电池才是电动车的未来？

guozhiwei · 发表于 2022-6-14 14:25:47

　　寿命短，容量小，充电时间长，安全性差这些都是目前锂电池体系的缺点，也成为了电动车最大的短板，制约了其进一步发展。有没有一种电池能够解决锂电池的痛点呢？宁德时代在半年前推出了钠电池作为尝试，而来自印度的Saturnose，则走了铝电池方案，似乎，更强？隔热管托的相关问题可以到网站了解下，我们是业内领域专业的平台，您如果有需要可以咨询，相信可以帮到您，值得您的信赖！

　　宁德时代的钠离子电池，有望解决目前锂电池面临的充电速度、寿命和安全性困境。看这张钠离子电池和磷酸铁锂电池的六维对比图。除了能量密度，钠离子电池在其他备受关注的方面几乎都是磷酸铁锂电池的加强版。

　　但这个能量密度缺点实在是制约了钠离子电池在出行领域的应用，或许钠离子电池能够在储能市场大放光彩，但电动车毕竟还是需要能量密度更加优秀的方案。

　　沙特基金投资，美国注册，印度团队组建的Saturnose所提出的铝离子电池似乎是个完美的选择，他们的宣传材料中显示，这种增强铝离子电池EA2L全面领先于锂电池：

　　截图自Saturnose官网，为了改善阅读体验，这里使用了Chrome自带翻译功能

　　超高的能量密度：近几年内，其技术指标便可以达到质量比能量密度超过550Wh/kg，体积比能量密度1500Wh/L。搭载铝电池的电动车续航可以达到1200km。而在未来规划中，这两个能量密度指标更是将推高到1800Wh/kg和5500Wh/L。

　　超快的充电速度：18分钟充入150kWh电量，对于电动车，12分钟便可完成一次充电。

　　超长的寿命：循环寿命高达20000次，对比锂电池超级加倍，高达200万公里的全寿命可用续航，满足15年的车辆使用。

　　更好的安全性：对比高镍三元锂电池200℃左右的热失控温度，铝离子电池的热失控温度更高。

　　更低的成本：铝电池的成本将是锂电池的一半，大约65美元/kW，无需使用镍和钴，而且铝元素在地壳中的丰度远胜于锂，不必担心原材料短缺导致的成本上涨。

　　看上去如此美妙的铝离子电池，为什么之前没有听说过？5年的“隐形”研发便能够让这种新兴材料比肩二三十年商用历史的锂电池？

　　这让我产生了兴趣，那就来扒一扒。

　　首先来看看铝离子作为电池的优势

　　这张宣传图很好的展现了铝离子电池的特性，第一铝离子为三价离子，原子量27，单位原子量的带电量仅次于锂离子，比钠、镁、钙等都高，这意味着其质量比容量较高。而且铝的密度远高于锂，其单质金属负极的体积比容量在一种金属离子中一骑绝尘。地壳中的丰度也是最多的。这是前提。

　　在这个前提下，铝电池已经有了一定的优势。那就是负极。锂电池无法直接应用不够稳定的锂金属作为负极，必须使用石墨（容量小）或者硅（价格高）来承载不同，铝金属是比较适合直接作为负极的，兼具低成本和高容量的优点。而且目前研究路线中，铝电池的正极也不需要钴、镍，以及价格昂贵的稀土材料。成本的确具有优势。

　　作为对比放一下数据：

　　锂金属负极的理论比容量3862mAh/g

　　石墨锂负极理论比容量372mAh/g，

　　硅基负极材料理论比容量达到4200mAh/g（但就是贵）

　　磷酸铁锂正极理论比容量170mAh/g，

　　三元锂正极理论比容量280mAh/g

　　如此便能看出铝金属负极的2980mAh/g的理论比容量有多优秀。

　　但是我们讨论电池的能量密度并不单纯讨论正极或者负极材料的比容量，全电池的能量密度与负极、正极、电解质以及正负极标准电位均有关。

　　铝离子的缺点在于标准电势较高，意味着制成电池后，单电芯的电压较低，只有2V左右，差不多只有锂离子电池的一半。诚然，铝离子电池的铝金属电极具有目前研究体系中最高的体积比容量和仅次于锂金属电极质量比容量。但因为电压低，能量W=UQ，其总体理论能量密度与锂离子半斤八两。

　　但铝电池还有一个优势：充电快。我们再来看铝离子电池的充放电机理。

　　铝离子电池的充放电机理和锂离子电池不太一样，锂离子电池的内部正电荷交换的载体是Li+，它在充放电过程中会在正负极之间通过电解液穿过隔膜来回移动，放电时锂离子从负极脱嵌，嵌入正极，充电时从正极脱嵌，来到负极。这也被形象地称为摇椅式机制。

　　而铝电池，三价的Al3+，可能是因为太胖了，锂元素分子量7，铝元素分子量27，并不能够很好的在正负极材料的栅格中来回横跳，稍微跳几次，正负极材料便会被撑坏了。早些年铝离子电池采用V2O5为代表的过渡金属氧化物、硫化物、硒化物等摇椅机制方案大多循环寿命较低。

　　所以，铝离子电池以及类似多价离子（如镁、钙等）电池目前倾向于采用正负极电极与电解液分别进行反应的双离子嵌入机制，并没有正电荷的实际在正负极间穿梭的运动过程。这一种方案最早来自斯坦福大学（戴宏杰院士的团队）。

　　以Saturnose官网上的原理说明图为例，阳极是铝金属（红色的那一排圆圈），阴极是三维石墨泡沫。电解质中的溶质是氯铝酸盐阴离子AlCl4-。

　　放电时，在阳极，铝金属和AlCl4-发生氧化反应，生成Al2Cl7-进入电解质并放出电子。

　　在阴极，石墨泡沫中嵌入的Cn[AlCl4]，在得到电子后脱嵌，释放成氯铝酸盐阴离子AlCl4-，溶解在电解液中。

　　放电过程中，阳极电解液中的AlCl4-离子浓度会降低，而阴极浓度升高，对外表现为负极电位升高，正极电位降低，电池电压降低。

　　充电过程则相反，Al2Cl7-得电子被还原为铝覆盖在铝金属负极上，这一过程接近电镀。而正极的石墨结构空腔中则嵌入AlCl4离子。

　　在充放电过程中，并没有载流子穿透隔膜的移动过程，因而反应过程短，可以支持较大功率的充放电。戴宏杰院士团队的研究中三维石墨正极实现了70 mAh g-1 的比容量和约 98% 的库仑效率。阴极能够实现快速的阴离子扩散和嵌入，在约 4,000 mA g-1（相当于约 3,000 W kg-1）的电流密度下一分钟便可充满，并可承受超过 7,500 次循环无衰减。

　　这张官网的宣传图就来自于上文提到的戴宏杰院士领导的一支斯坦福大学团队2015年发布于Nature的一篇论文：An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery。

　　而Saturnose本身也承认其研究受斯坦福大学以及澳洲石墨烯制造集团（GMG，Graphene Manufacturing Group）的成果启发。

　　了解了铝电池的充放电机制，我们便可以明白，铝电池的应用瓶颈主要在于两块，一是正极材料，即使是三维石墨结构，比容量也远低于铝金属负极。最新的例子是被借鉴的澳洲GMG集团通过纳米技术制备石墨烯正极，生产出了能量密度与锂电池接近（150-160Wh/kg）的铝离子纽扣电池，宣称是2022年初量产。而车用铝离子电池则规划到了2024年。

　　二是电解质，电解液的研究稍多，现有材料合成条件较为苛刻，储存难度高，反应界面不稳定且带有弱酸性易腐蚀等问题。电解液尚处在较为初级的研究阶段，更勿论固态电解质了。

　　综上所述，铝离子电池是一条有潜力的发展道路，但这一道路目前看起来离商业化应用，尤其是车用动力电池领域的商业化应用还有着不小的距离。

　　那么，Saturnose是如何做到如此高性能指标还能够在明年量产的呢？或许来看看它的官网就可以了解一二。

　　先来一点小bug开开胃：

　　比如，这份表格，展示了铝电池相对于锂电池的优势所在，但最下方净功率一栏，前边怎么写成700Km了？

　　再来看这张图，理论上，最左边的应该是电量描述，单位是kWh，1200km续航的车辆的确差不多需要至少150kWh的电量。怎么就写成了千瓦这个功率单位。这个问题多次出现，令我怀疑究竟是自己理解有问题，还是他确实写错了。

　　另外，这两张图中均描述了铝电池在车辆应用中的循环寿命，一个写了平均10000次循环，而另一个则写了20000次循环。

　　单位的大小写还真是随性，同一张图里同一个单位大小写都不统一（WH/L与wh/kg）。

　　又一个150kW的例子，另外这两张图里边对于充电所需时间的描述又有不一致。前者是18分钟完成150Kw（kWh）充电，后一张则是12分钟。注意右上角，同样写着150Kw（kWh）电池。

　　这里对于充电倍率的描述又与上边的充电时间有了差异。典型值1C，最大3C，也就是就算全程能够保持最大倍率充电，其最短充电时间也需要20分钟。要实现12分钟充电，至少需要稳定5C的充电倍率。

　　如果说上边那些主要是拼写上的问题，印度人可能在英语的使用用法理解上和我们不太一样，那么再上一些主菜：

　　对于自己核心技术：增强型铝离子（Enhanced Altered Aluminium Ion）Ea2I的描述也有着冲突。

　　放大上图的右上角，这里对Ea2I的描述是：利用纳米技术混合铝和石墨烯，未来还会掺杂铌元素。

　　然后就在下方不远处介绍制备方法的段落中是如此描述：SATURNOSE 的专利技术利用添加剂将铝与铌包装在一起。所以究竟有没有铌呢？（这里似乎还有一个拼写错误，allow，疑似应为alloy合金，掺铌的铝合金）

　　这里对正负电极的描述，阴极（正极）采用混合无序岩盐结构，负极则是铝基复合氧化物。

　　另一个页面的相关描述则增加了with/without，那么到底技术路线是with还是without？

　　而到了页面最下方，对正负极材料的描述又变了，正负极都多了其他宣传文案中提都没提过的硅。

　　此外，石墨烯也是问题，众所周知，石墨烯是个好东西但就是贵，如果铝电池要用到石墨烯，难以想象它能够将成本降到锂电池的一半。

　　所以，Saturnose在采访中是如此表述：“我们已经证明了从报废的 LIB（锂离子电池）中回收石墨，并将回收的材料重新用于下一代铝离子电池（AIB）的正极”， “回收的石墨具有扩大的层间距，这表明在充电/放电过程中可以有效地促进铝离子的嵌入/脱嵌。”

　　所以究竟Ea2I有没有用上石墨烯呢？回收来的石墨可不会自己变成石墨烯，这个制备过程才是最费钱的。

　　此外还有电解质的问题，Saturnose所宣传的性能参数都是基于固态电解质条件下的，但……铝电池连电解液还没搞清楚呢，适用于铝电池的固态电解质，反正官网上只有一句表述：专用电解质。

　　以上图片均截图自该公司官网。

　　所以，它吹的2022年量产，固态电解质，以及一系列超强的性能参数的可信度如何，各位自行评判吧。话不说满，2022年也马上到了，看呗。

　　本文作者为踢车帮 Route 64