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上週，斯坦福大學的研究人員釋出了一種新型鋁離子電池化學物質，它具有獨特的能力，可以在不到一分鐘的時間內完成充電或放電。
這種電池的超快充電和放電時間並非它唯一的突破。它也是第一種實現足以滿足常見應用的工作電壓，並且壽命超過幾百次充放電迴圈的鋁基電池。換句話說，它是第一款真正起作用的鋁離子電池。
與此同時，新電池並非沒有侷限性。有很多原因導致我們可能不會很快在智慧手機或電動汽車中看到它。
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這篇文章將介紹新的鋁離子電池技術，然後研究其關鍵效能指標，以及它們如何影響其潛在應用。
鋁離子電池的內部結構是什麼？
為了儲存能量，電池需要兩種具有電化學電壓差的材料，以及一種阻礙電子流動但允許離子在兩種材料之間流動的電解質。
上週推出的鋁離子電池在其負極（陽極）中使用簡單的鋁金屬，在其正極（陰極）中使用特殊的三維石墨泡沫。電池的正極和負極透過 1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯化物和無水氯化鋁的液體電解質隔開。選擇這種電解質是因為它含有可移動的 AlCl4- 離子，這些離子在電池充電和放電時在電池的兩側之間交換。
為了測試他們提出的電池單元的可行性，斯坦福大學的研究人員構建了一個實驗單元，然後在不同的電流速率下對其進行充電和放電，以確定：1）該單元可以儲存多少能量，2）該單元可以充電或放電的速度有多快，以及 3) 該電池可以反覆充電和放電多少次。
它可以儲存多少能量？
電池可以儲存的能量量由兩個因素決定：其正極和負極之間固有的電壓差，以及電池材料可以以離子和電子的形式儲存的電荷量。
鋁離子電池兩側之間的電壓差約為 2-2.5 伏，具體取決於電池的充電狀態。這低於鋰離子電池的典型電壓，鋰離子電池的電壓約為 3.5-4 伏。這意味著大約需要將兩倍的鋁離子電池單元串聯起來才能匹配可比較的鋰離子電池組的電壓。
鋁離子電池每公斤電池材料可儲存約 70 安培小時的電荷。這大約是鋰離子電池充電容量的一半，鋰離子電池的充電容量範圍為每公斤 120-160 安培小時。
綜上所述，鋁離子電池的較低電壓和較低充電容量使其能量密度約為典型鋰離子電池的四分之一（每公斤約 40 瓦時，而鋰離子電池約為每公斤 160 瓦時）。因此，使用鋁離子電池為您的智慧手機、筆記型電腦或電動汽車供電將需要重量約為可比較的鋰離子電池重量的四倍的電池。
它可以產生多少電能？
能量儲存容量是一項重要的電池指標，但它不是唯一的指標。另一個關鍵指標是電池的功率容量，即它能夠安全可靠地充電和放電的速度。
電池可以充電或放電的速度取決於其材料進行電化學反應的速度，以及離子在電池單元內部擴散的速度。
斯坦福大學的研究人員專門設計了他們的鋁離子電池，以實現快速充電和放電。為了加快電池負極內部的離子運動，他們開發了一種獨特的三維石墨泡沫陰極，其內部間隙和表面積足以實現非常快速的離子運動。
- 斯坦福大學的鋁離子電池使用獨特的三維石墨泡沫來加速電池內部的離子運動，並釋放其前所未有的充電和放電時間。（來源：Lin et al., 2015）
這種特殊的陰極使鋁離子電池能夠以前所未有的速度充電和放電。研究人員測試了以不到一分鐘的時間充滿電或放電的速率對電池進行放電和充電。他們發現電池可以在一分鐘內充電，然後在 48 秒到 1.5 小時內放電，而不會出現重大的容量或效率損失。
鋁離子電池的快速充電和放電時間使其比傳統的鋰離子電池具有決定性的優勢。從質量的角度來看，一個假設的一公斤鋁離子電池可以產生大約 3,000 瓦的功率，足以為一個住宅供電大約兩到三分鐘（即使只有一分鐘或更短的時間）。另一方面，一個典型的一公斤鋰離子電池只能產生大約 200-300 瓦的功率，大約是斯坦福大學鋁離子電池功率容量的十分之一。
它能持續多久？
鋁離子電池獨特的三維石墨泡沫陰極不僅可以實現快速充電和放電，還可以使電池在數千次充放電後不會出現明顯的材料退化和容量損失。
斯坦福大學的研究人員透過以快速的一分鐘速率充電，然後以相同的分鐘速率放電數千次，來測試他們的電池在不同條件下的使用壽命。在超過 7,500 次的快速充放電迴圈中，研究人員觀察到電池容量基本沒有衰減。
這與鋰離子電池形成對比，鋰離子電池通常只能提供 1,000-3,000 次充放電迴圈，然後其容量才會顯著衰減。因此，鋁離子電池有可能比傳統的鋰離子電池使用壽命更長。
與此同時，斯坦福大學的研究人員尚未展示他們的電池如何經受住時間的影響，因此尚不清楚鋁離子電池是否能夠持續足夠長的時間來滿足電網應用。由於每次測試的充電或放電過程僅需一分鐘即可完成，因此所演示的 7,500 次充放電迴圈僅對應於幾周的執行時間。如果還有其他被動反應導致電池在更長的時間段內衰減，那麼鋁離子電池可能無法滿足電網應用所需的年限。
它可以用於什麼？
根據以上確定的效能規格，斯坦福大學的鋁離子電池將適用於需要非常快速的充電和放電時間，並且能夠在不出現容量損失的情況下充電和放電數千次的應用程式。該電池不適用於需要能量密度的應用，因為其能量密度僅約為現有鋰離子電池的四分之一。
因此，您不應期望很快在智慧手機、平板電腦或電動汽車中使用斯坦福大學的鋁離子電池。雖然該電池可能允許您在一分鐘內為智慧手機或電動汽車充電，但這將大大增加您的手機或車輛的重量。
但是，有一天您可能會看到鋁離子電池部署在電網上。斯坦福大學的鋁離子電池可能非常適合的一個應用是為電網提供平衡和備用電力，以維持電力總供應和電力總需求之間的平衡。此應用需要高功率電池，並且能夠在不出現故障的情況下多次充電和放電。如果斯坦福大學的鋁離子電池在未來能夠以足夠低的成本構建，那麼它可能會用於在電網上提供此項服務。