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大規模儲能系統是快速、健康實現我國雙碳戰略的重要途徑。儲能方式有很多種，包括抽水蓄能、壓縮空氣、飛輪儲能、氫能儲能以及電化學儲能，雖然抽水蓄能當前占據了我國儲能市場的90%，但是電化學儲能因其高靈活性、對地域空間要求低、可模塊化，將是未來儲能的重要方式。

電化學儲能當前主要為鋰離子電池，以及最近興起的鈉離子電池和液流電池等。但當前的鋰離子電池使用可燃的有機電解液，且受限于高成本、資源有限的鋰元素，難以實現未來5-10年的時間尺度下持續的大規模滲透。因此，迫切需要發展高安全、低成本、資源戰略安全的電池體系，以維持我國以及全球的大規模儲能產業的健康發展。

可充電鋁電池由于鋁負極低成本、高地殼元素含量、高比容量的特點，是一種有前途的新一代儲能體系。目前，已報道的鋁電池體系通常使用離子液體電解液，不但成本高昂難以產業化應用，且面臨著緩慢的反應動力學和有限的可逆容量，導致其差的倍率性能和較低的能量密度。

針對這一關鍵問題，北京大學材料學院龐全全團隊及其合作者首次報道了一種高安全不可燃、超低材料成本、可實現快充的熔融鹽鋁電池。通過使用一種低熔點的無機氯化物熔融電解質，成功替代了當前的離子液體，實現鋁電池的高倍率運行、低電壓極化及高能量效率；同時熔融鹽電解質的熱穩定性高，不可燃，使得電池體系具有高安全性，解決了大規模集成系統安全性方面的疑慮。另外，該電池體系使用元素豐富的硫作為正極，在較低的溫度110攝氏度下運行，表現出了高比容量及超快充特性。

作者發現，由NaCl-KCl-AlCl₃組成的熔鹽電解質包含有多種鏈狀的Al_nCl_3n+1^–組分，如Al₂Cl₇^–，Al₃Cl₁₀^–和Al₄Cl₁₃^–，其Al-Cl-Al鍵的易斷裂提供了快速的Al³⁺脫溶動力學，導致伴隨的高法拉第交換電流，這是電池快速充電的根本原因。作者證明了鋁和硫族單質間的多步轉換途徑，并實現了高達200C的快速充電，電池在非常高的充電倍率下持續數百次循環。

圖1.無機熔鹽電解質和鋁-硫族電化學的基本特性。

團隊首先探究了在熔融鹽電解質中鋁負極的可逆沉積/剝離行為以及硫族正極（S、Se和Te）的本征氧化還原電化學反應，證明了熔融鹽電解質在正極側和負極側均具有低極化、高反應可逆性。通過測試Al|Al對稱電池在不同工作溫度下Al沉積/溶解的交換電流密度，定量評價三元熔融鹽和離子液體兩種電解質的電荷轉移動力學。結果分析表明在相同工作溫度下，熔融鹽電解質中實現的交換電流密度比離子液體高一個數量級，且活化能僅為0.19 eV，低于離子液體（0.26 eV），證明其具有更快的電荷轉移動力學。進而采用拉曼光譜和核磁共振譜，結合分子動力學模擬，系統分析無機熔融鹽電解質和離子液體中的團簇構型、鋁離子配位結構及其脫溶劑化動力學，進一步揭示了無機熔融鹽電解質具有豐富的高階Al_nCl_3n+1^–組分，更利于脫溶劑化，這是熔融鹽電解液快速反應動力學和抗枝晶生長特性的根本原因。

此外，團隊采用原位同步輻射X射線近邊吸收譜和原位X射線衍射技術，揭示了熔融鹽鋁-硒電池的多步轉換反應機制。所組裝的熔融鹽鋁-硫電池和鋁-硒電池均展現優異的快充特性（可長期在50C-100C的超快充電倍率下穩定循環）。該熔融鹽新體系使得經歷晶格全重構的轉換型電極材料具有快充性能，極大拓寬了限于傳統嵌入型快充電極材料的范圍。該工作對新型電解質研究和多價金屬電池的開發具有借鑒意義，為下一代高性能、低成本、高安全電池新體系的理性設計提供了全新思路。

圖2.熔融鹽Al-S電池的電化學表征。

該工作成果近日以“Fast-charging aluminium-chalcogen batteries resistant to dendritic shorting”為題發表于《自然》雜志（Nature2022，DOI：10.1038/s41586-022-04983-9）。該研究是由北京大學龐全全團隊和麻省理工學院、滑鐵盧大學、武漢理工大學、阿貢國家實驗室等單位合作完成，北京大學為第一通訊單位，龐全全為論文第一作者和通訊作者，Sadoway為論文共同通訊作者，北京大學材料科學與工程學院博新計劃博士后孟甲申、博士生洪旭峰主要參與了該研究。本研究得到國家自然科學基金和博士后創新人才支持計劃的支持。龐全全課題組鏈接為：pang-eetl-pku.com

原文鏈接（https://www.nature.com/articles/s41586-022-04983-9）