18秒充满的新型动力电池 来自北大团队和麻省理工 比尔盖茨都投了

动力电池的最新研究成果曝光：

仅需18秒，就可实现充满。

成本还仅为主流锂离子电池的六分之一，论文已发表在Nature杂志上。

这种电池在低温时能正常使用、高温下也能保持稳定。

负责此项专利技术的教授之一，已成立一家电池公司，并获得专利授权。目前公司已融资810万美元（约合人民币5581万）。

值得一提的是，包括北京大学等在内的国内高校学者，也都是这次突破性进展的研究团队成员。

剩下的问题：这种快充、成本更低、更安全的电池，会影响当下动力电池格局吗？

什么样的电池

根据研究成果，这种双向、快充铝-硫属元素电池成本低至每千瓦时8.99美元（约合人民币62元），是目前锂离子电池成本的12%-16%。

这种电池的预计电池极能量密度为526Wh/I，与石墨-NMC622等锂离子电池能量密度相当。

同时不需要额外的主动冷却系统，还可以避免热失控和防止火灾。

并且几乎不会有枝晶形成，进而防止电池短路。

怎么实现的？

首先，新型电池的原材料储量丰富，且廉价。

这种新型电池正极是硫属元素，比如硫和硒。

负极是铝，电解质是由NaCl-KCl-AlCl3组成的熔融氯铝酸盐。

众所周知，铝是地球上最丰富的金属元素。同时，硫元素、NaCl、KCl、AlCl3也都是常见的化学物质。

并且本次研究表明，即使使用类似食品包装铝箔等劣质铝制作负极，也不会影响电池性能。

这些因素都大大降低了电池成本。

其次，作为电解液的碱金属氯铝酸盐熔体比一般熔盐系统共晶点低得多，约为93ºC。

这保证电池在类似110ºC的低温情况下也能运行，同时在使用中还能保持“自热”，通过恰当隔热就能维持自身温度。

这意味着不需要主动冷却系统。

而由于热效应，一般的锂离子电池都需要冷却系统，让电池保持在最佳运行温度，提高效率。

同时，即使温度超过500°C，熔盐电解质仍然具有热稳定性和非挥发性，不会在高温下汽化导致电池爆炸、起火。

并且，熔盐电解质除了熔点低还有另外一个好处：防止电池短路。

这是因为电解质中的Al3+具有去溶剂化的特点，可以防止铝枝晶生成。

以及最重要的，这种新型电池具有良好的循环稳定性，因此可以快充。

这又是怎么实现的？

研究原理

论文中主要展示了铝硒电池和铝硫电池的性能。

实验显示，在NaCl-AlCl3 电解质（熔点约为115°C）中，铝硒电池即使在 180°C 下的放电反应也很平稳，平均电压约为0.88V。

同时，在把放电时间缩短至5小时、或者2小时充满电的速率下，铝硒电池在50个循环后也没有电压衰减，电池容量能维持在300mAh/g。

当满电时间缩短至18秒，铝硒电池容量仍保持在75mAh/g。

作为对比，一般铝金属电极，电解质会使用EMIC–AlCl3（EMIC：1-乙基-3-甲基咪唑氯化物）。

而EMIC–AlCl3电池在满电时间缩短至6分钟（10C）及以下时，电池容量已经接近于0。

研究人员还通过改变充电速率，发现铝硒电池在满电时间为2小时（C/2）的情况下，可逆容量为520mAh/g；6分钟时为190mAh/g；18秒时为75mAh/g。

对于铝硫电池来说，在NaCl–KCl–AlCl3电解质中（共晶温度约为93°C），运行温度可达110°C，电池容量为525mAh/g。

放电时间恒定在2小时的情况下，铝硫电池即使充电速率提高，满电时间缩短至6分钟，电池容量仍能保持在500mAh/g。

当满电时间缩短至18秒，铝硫电池容量仍保持在210mAh/g。

相比之下，使用EMIC–AlCl3电池在满电时间缩短至72秒，温度升高后，电池容量接近于0。

并且，在论文设定的循环方案下，铝硫电池可在高充电率（满电时间为6-12分钟）和超高充电率（满电时间为36-72秒）下维持数百个循环。

同时，熔盐电解质中的Al3+离子沉积在动力学上占有优势，因此这种新型电池充电比放电更容易实现更高性能。

研究团队

本文主要由北大的庞全全团队和麻省理工学院Sadoway课题组共同完成研究。

研究人员还来自武汉理工大学、云南大学、路易斯维尔大学、滑铁卢大学、阿贡国家实验室等研究机构。

论文一作是庞全全，目前是北京大学材料科学与工程学院助理教授，和博士生导师。

本科就读于华中科技大学材料科学与工程学院，硕士和博士就读于滑铁卢大学化学系，以及麻省理工学院材料科学与工程系博士后。

2020年，庞全全受聘于北京大学工学院能源与资源工程系。同年，庞全全入选跨学科领域全球高被引科学家名单。

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庞全全的部分代表论文

庞全全在锂硫电池、锂金属电池、电解质、熔融盐电化学等领域共计发表20余篇论文，刊登在Nature Energy、Joule等化学及能源期刊上，总引用数超过7000次。

唐纳德·萨多威（Sadoway），是麻省理工学院材料科学与工程系的教授，主要研究非水介质中的电化学，包括熔盐、低温电解质的物理化学和电化学。

2020年，萨多威获得麻省理工学院能源计划提供的种子基金资助。2022年，萨多威凭借液态金属电池获得欧洲发明家奖。

并且，萨多威和Luis Ortiz共同成立了电池初创公司Avanti，萨多威担任首席科学顾问。公司已获得这篇铝-硫属元素电池论文研究的专利。

在去年4月，公司完成A轮融资，融资金额为810万美元（约合人民币5581万）。

投资公司包括比尔盖茨的Breakthrough Energy，埃尼集团（世界七大石油集团公司之一）的风险投资子公司Eni Next。

萨多威表示，目前公司的首要任务是证明铝-硫属元素电池可以大规模运作，然后进行一系列压力测试，包括运行数百个充电周期。

除了用作动力电池，较小规模的铝-硫属元素电池还可用于电动汽车充电桩，降低建设成本和增加充电速度。

并且这种电池也可以为单个家庭或中小型企业供电，存储容量约为几十千瓦时。

萨多威说，这篇研究论文的意义在于提醒人们：

“如果愿意投入时间和金钱，还有比锂离子电池更好、更便宜、更安全的技术可供研究。”