寻求更好的动力电池—铝将是锂的替代材料！镁也是！

4 5 月, 2021
2:18 下午

作者：《LIght Metal Age》轻金属时代总编辑Andrea Svendsen

全球对可持续性的关注度日益提高，与此相适应，汽车工业已经将设计转向更环保的车型。最初的重点是使用铝、镁、高强度钢等轻量化材料，以提高燃料经济性。

目前，许多关注焦点是扩大电动汽车的可用性，电动汽车在使用阶段的排放量接近零。然而，汽车制造商在电动汽车方面面临的主要挑战之一，是在环保的层面，即电动汽车电池本身。

锂离子电池是目前现有技术标准的代表，但是，这类电池带来了许多挑战。电动汽车电池重量大，成本高，充电时间长。在电动汽车上投入更多的电池可以提高续航里程，但也显著地增加了车辆的成本和重量。

这方面，是铝需求增加的一个领域，因为铝能够提供特别高的强度重量比，同时也提供了诸如好处，譬如增强刚度和电池壳内热管理。因此，铝的使用有助于抵消电池的成本和重量，允许汽车制造商根据所需的范围和价格点对电动车作出优化。

然而，汽车制造商和其他制造商正积极寻求解决围绕锂离子电池的挑战，以降低成本和提高性能为目标，以此减少汽车重量并提高充电速度。

汽车和其他行业的工程师们，并没有将他们的研究和开发限定于锂离子电池。他们还研究替代电池设计，寻找改善电池的性能，以用于汽车行业及其他领域。

目前，研究的一个领域是铝和镁基电池的实施。过去10年，实施了一些相关的研究项目，例如：

北美丰田研究所（TRINA）的科学家们指出一项突破，即镁作为电池阳极材料。
斯坦福大学的工程师们开发了一种不可燃、低成本、高性能的铝离子电池，可以为太阳能或其他形式的可再生能源提供一种廉价的存储解决方案。
在“地平线2020”（ Horizon 2020）计划下，欧盟委员会开始资助新的研究和创新项目，包括正在研究开发可充电镁电池（RMB）技术的欧洲镁互动电池共同体（E-MAGIC）项目。
对新型电池的研究正在进行中。正如最近有关铝基电池的公告所证明的，所有关替代材料的实施和改进的电池设计，继续引起人们的兴趣。

康奈尔大学开发铝阳极电池

康奈尔大学（Cornell University）的研究人员一直在探索在电池中使用铝等低成本材料，作为锂离子的替代品，以应对与太阳能发电相关的储能技术挑战。康奈尔大学工程学教授Lynden Archer领导的研究小组，旨在制造出一种充电电池，使储能更安全、更实惠。

这项研究，引了了一种铝基蓄电池负极的开发。研究小组的一名成员说：“这种电池的一个非常有趣的特点是，阳极和阴极只使用了两种元素，即铝和碳，这两种元素既便宜又环保。”。

从历史上看，铝很难集成到电池电极中。电池在正极和负极之间使用玻璃纤维隔板，作为催化剂，以促进必要的电荷。然而，铝往往与玻璃纤维发生化学反应，导致电池短路和故障。

康奈尔大学的研究人员通过设计一种由碳纤维交织而成的基底来应对这一挑战，当电池充电时，碳纤维能与铝形成很强的化学键。这种方法能够产生更深，更一致且仔细控制的铝层。

研发人员表示：“基本上，我们使用化学驱动力促进铝均匀沉积到碳纤维编织的孔隙中。“因而，电极要厚得多，动力学也快得多。”（相关阅读：康奈尔大学研究人员开发能够进行万次循环充电的铝阳极电池）

显示电池电极中铝和碳纤维之间化学键的放大图像(图片由康奈尔大学提供）

铝阳极电池的循环寿命显著延长，最多可再充电10000次。研发人员表示：”当我们计算储能成本时，我们需要将其分摊到总的能量输出中，这意味着电池是可充电的，因此我们可以多次使用它。因此，如果我们的使用寿命更长，那么这一成本将进一步降低。”

康奈尔大学研究小组有关铝离子电池的研究，发表在《自然能源Nature Energy》杂志上，题为《利用界面金属-基底键，调节高容量铝锌电池阳极的电沉积形态》（Regulating Electrodeposition Morphology in High-Capacity Aluminiumand Zinc Battery Anodes Using Interfacial Metal–Substrate Bonding）。

Phenergy实施铝空气电池项目，以提高锂电池装载车型的续航里程

Phenergy于2014年推出了铝空气电池的开发，该项目是与美铝合作设计的演示车的一部分。铝空气电池不是与锂离子电池竞争，而是为了提升装载锂电池的电动车的续航里程。它基本上使汽车制造商能够通过在电动汽车中安装铝空气系统作为扩展范围，从而减少锂离子电池组的尺寸，提供高达1600公里的附加驾驶里程。期间，二氧化碳排放量为零。

Phinergy和美铝利用铝空气延长电池安装的示范车，该车型首次亮相2014年加拿大国际铝会议（CIAC）。

空气电池利用铝与氧反应释放的能量来发电。铝阳极作为燃料，呼吸氧气，将水分解成氢氧化物。外层慢慢溶解回氢氧化铝中。一旦铝耗尽，铝空气电池必须完全更换。

自2014年引入这种电池以来，Phinergy不断完善该技术，并将其引入更广泛的电动汽车市场。2021年，该公司与印度公司签署了几项合作协议。

今年3月，Phinergy与印度电动车领域领先公司Mahindra电气公司确定合作关系，通过该合作，将引进电动车型，并将在印度进行测试。铝空气电池预计将使行驶范围从130公里增加到400公里。

同样在3月份，Phinergy和印度石油公司共同拥有的IOP，与两大印度汽车制造商签署了意向书，其中包括铃木汽车公司子公司Maruti铃木和印度第二大商用车制造商AshokLeyland。汽车制造商将与IOP合作，在客车和乘用车的电动汽车原型车上测试Phinergy的铝空气电池。

“与主要汽车制造商合作，巩固了Phinergy在电动汽车领域的地位和愿景，尤其是在印度市场，”Phenergy首席执行官DavidMayer说：“我们希望，首批示范车不久将在印度公路上行驶，随后将以环保、无污染的方式在印度带动数百万乘客，与尺寸和重量相近的锂电池相比，这种电池可增加续航里程，同时可快速充电，无需电网依赖，价格具有竞争力。”

通用汽车测试铝基阴极电池

通用汽车宣布计划开发和测试各种技术和制造工艺，以扩大电动汽车电池的使用范围并降低成本。这包括探索下一代Ultium电池平台的各种化学成分，该平台正作为Ultium Cells LLC的一部分开发项目，Ultium Cells LLC是与LG Energy Solution的合资企业。