本文发表在《大众科学》的前博客网络中，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
上周，斯坦福大学的研究人员发布了一种新型铝离子电池化学物质，它具有独特的能力，可以在不到一分钟的时间内完成充电或放电。
这种电池的超快充电和放电时间并非它唯一的突破。它也是第一种实现足以满足常见应用的工作电压，并且寿命超过几百次充放电循环的铝基电池。换句话说，它是第一款真正起作用的铝离子电池。
与此同时，新电池并非没有局限性。有很多原因导致我们可能不会很快在智能手机或电动汽车中看到它。
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这篇文章将介绍新的铝离子电池技术，然后研究其关键性能指标，以及它们如何影响其潜在应用。
铝离子电池的内部结构是什么？
为了存储能量，电池需要两种具有电化学电压差的材料，以及一种阻碍电子流动但允许离子在两种材料之间流动的电解质。
上周推出的铝离子电池在其负极（阳极）中使用简单的铝金属，在其正极（阴极）中使用特殊的三维石墨泡沫。电池的正极和负极通过 1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯化物和无水氯化铝的液体电解质隔开。选择这种电解质是因为它含有可移动的 AlCl4- 离子，这些离子在电池充电和放电时在电池的两侧之间交换。
为了测试他们提出的电池单元的可行性，斯坦福大学的研究人员构建了一个实验单元，然后在不同的电流速率下对其进行充电和放电，以确定：1）该单元可以存储多少能量，2）该单元可以充电或放电的速度有多快，以及 3) 该电池可以反复充电和放电多少次。
它可以存储多少能量？
电池可以存储的能量量由两个因素决定：其正极和负极之间固有的电压差，以及电池材料可以以离子和电子的形式存储的电荷量。
铝离子电池两侧之间的电压差约为 2-2.5 伏，具体取决于电池的充电状态。这低于锂离子电池的典型电压，锂离子电池的电压约为 3.5-4 伏。这意味着大约需要将两倍的铝离子电池单元串联起来才能匹配可比较的锂离子电池组的电压。
铝离子电池每公斤电池材料可存储约 70 安培小时的电荷。这大约是锂离子电池充电容量的一半，锂离子电池的充电容量范围为每公斤 120-160 安培小时。
综上所述，铝离子电池的较低电压和较低充电容量使其能量密度约为典型锂离子电池的四分之一（每公斤约 40 瓦时，而锂离子电池约为每公斤 160 瓦时）。因此，使用铝离子电池为您的智能手机、笔记本电脑或电动汽车供电将需要重量约为可比较的锂离子电池重量的四倍的电池。
它可以产生多少电能？
能量存储容量是一项重要的电池指标，但它不是唯一的指标。另一个关键指标是电池的功率容量，即它能够安全可靠地充电和放电的速度。
电池可以充电或放电的速度取决于其材料进行电化学反应的速度，以及离子在电池单元内部扩散的速度。
斯坦福大学的研究人员专门设计了他们的铝离子电池，以实现快速充电和放电。为了加快电池负极内部的离子运动，他们开发了一种独特的三维石墨泡沫阴极，其内部间隙和表面积足以实现非常快速的离子运动。
- 斯坦福大学的铝离子电池使用独特的三维石墨泡沫来加速电池内部的离子运动，并释放其前所未有的充电和放电时间。（来源：Lin et al., 2015）
这种特殊的阴极使铝离子电池能够以前所未有的速度充电和放电。研究人员测试了以不到一分钟的时间充满电或放电的速率对电池进行放电和充电。他们发现电池可以在一分钟内充电，然后在 48 秒到 1.5 小时内放电，而不会出现重大的容量或效率损失。
铝离子电池的快速充电和放电时间使其比传统的锂离子电池具有决定性的优势。从质量的角度来看，一个假设的一公斤铝离子电池可以产生大约 3,000 瓦的功率，足以为一个住宅供电大约两到三分钟（即使只有一分钟或更短的时间）。另一方面，一个典型的一公斤锂离子电池只能产生大约 200-300 瓦的功率，大约是斯坦福大学铝离子电池功率容量的十分之一。
它能持续多久？
铝离子电池独特的三维石墨泡沫阴极不仅可以实现快速充电和放电，还可以使电池在数千次充放电后不会出现明显的材料退化和容量损失。
斯坦福大学的研究人员通过以快速的一分钟速率充电，然后以相同的分钟速率放电数千次，来测试他们的电池在不同条件下的使用寿命。在超过 7,500 次的快速充放电循环中，研究人员观察到电池容量基本没有衰减。
这与锂离子电池形成对比，锂离子电池通常只能提供 1,000-3,000 次充放电循环，然后其容量才会显着衰减。因此，铝离子电池有可能比传统的锂离子电池使用寿命更长。
与此同时，斯坦福大学的研究人员尚未展示他们的电池如何经受住时间的影响，因此尚不清楚铝离子电池是否能够持续足够长的时间来满足电网应用。由于每次测试的充电或放电过程仅需一分钟即可完成，因此所演示的 7,500 次充放电循环仅对应于几周的运行时间。如果还有其他被动反应导致电池在更长的时间段内衰减，那么铝离子电池可能无法满足电网应用所需的年限。
它可以用于什么？
根据以上确定的性能规格，斯坦福大学的铝离子电池将适用于需要非常快速的充电和放电时间，并且能够在不出现容量损失的情况下充电和放电数千次的应用程序。该电池不适用于需要能量密度的应用，因为其能量密度仅约为现有锂离子电池的四分之一。
因此，您不应期望很快在智能手机、平板电脑或电动汽车中使用斯坦福大学的铝离子电池。虽然该电池可能允许您在一分钟内为智能手机或电动汽车充电，但这将大大增加您的手机或车辆的重量。
但是，有一天您可能会看到铝离子电池部署在电网上。斯坦福大学的铝离子电池可能非常适合的一个应用是为电网提供平衡和备用电力，以维持电力总供应和电力总需求之间的平衡。此应用需要高功率电池，并且能够在不出现故障的情况下多次充电和放电。如果斯坦福大学的铝离子电池在未来能够以足够低的成本构建，那么它可能会用于在电网上提供此项服务。