动力电池的新突破:铝离子电池
位于澳大利亚布里斯班的石墨烯制造集团(GMG)开发出石墨烯铝离子电池,该公司声称其充电速度是最佳锂离子电池的60倍,其能量是最佳铝基电池的三倍。
石墨烯铝离子细胞是利用昆士兰大学(UQ)澳大利亚生物工程和纳米技术研究所的突破性纳米技术制造的。电池使用纳米技术将铝原子插入石墨烯平面的微小穿孔中。特定的铝离子电池组成包括铝箔阳极、石墨烯阴极和氯化铝电解质。设计中不使用锂、铜、锰或钴。
如果GMG的研究证明是卓有成效的,石墨烯铝离子电池可以解决围绕电动汽车电池的很多担忧。它们将提供更长的续航,充电速度要快得多。它们也是一个更可持续的解决方案,因为电池由于其稳定的基材更容易回收。新的石墨烯铝电池也更安全,没有充电电流的限制,导致自发过热。
同行评审的出版物《高级功能材料》得出结论,这些细胞具有"出色的高速率性能(149 mAh g−1,5 A g−1),超过了所有先前报告的AIB阴极材料。测试还显示,硬币电池的验证电池使用寿命是锂离子电池的三倍。
虽然GMG的细胞并不是唯一正在开发的石墨烯铝离子细胞,但据GMG董事总经理克雷格·尼科尔(Craig Nicol)说,它们很容易成为最强、最可靠、最快的充电。"它充电太快了,基本上是一个超级电容器,"尼科尔说。"它在不到 10 秒的时间内为硬币单元充电。
尼科尔还表示,这种新型电池的功率密度远远高于目前的锂离子电池,没有锂电池通常面临的冷却、加热或稀缺问题。"到目前为止,没有温度问题。锂离子电池组(在电动汽车中)占用的空间的20%与冷却有关,"Nicol 说。"我们很可能根本不需要这种冷却或加热。它不会过热,而且到目前为止,它在测试中运行良好,低于零。
新的电池技术也可以工业化,以适应目前的锂离子外壳——比如大众汽车集团的MEB架构——这引发了汽车工业结构的问题,这些架构往往使用长达20年。目前的重点是硬币电池,因为GMG有一个现成的制造系统和最终产品规格,作为可互换电池出售给现有的锂电池。在制造硬币电池后,该公司计划专注于袋装,因为该公司相信,在铝离子电池充电时间非常快的现有锂袋包装中,它们将比现有锂袋包具有优势。
"我们打算制造一种可互换电池(与锂电池相同的电压和外形因子/形状),因此它们可以更换掉,使用祖父电子和充电基础设施,从而降低预期市场的采用风险、时间表和成本,"Nicol 说。
铝离子电池开发热潮
各种研发项目之间的差异是高度技术性的,但GMG细胞使用由其专有等离子体工艺制成的石墨烯,而不是传统的石墨采购。据该公司称,他们的结果是斯坦福大学开发的第二好电池能量密度的三倍。GMG 与 UQ 合作报告能量密度为 150-160,功率密度约为 7,000 W/kg。相比之下,斯坦福大学的天然石墨铝离子技术每公斤可提供约68.7 Wh和41.1 W/kg,其CVD石墨泡沫铝技术可达3000 W/kg。
GMG首席科学官阿肖克·南俊丹博士说:"这是一项真正的改变游戏规则的技术,几乎每次应用GMG的石墨烯和UQ的专利铝离子电池技术,都能为现有的锂离子电池提供一种真正的替代技术。我们电池目前的名义电压为 1.7 伏特,目前正在努力提高电压,以直接更换现有电池,从而提高能量密度。
铝电池技术可以取代锂
当电池充电时,铝离子返回负电极,每离子交换三个电子,锂做同样的交换,但速度仅为每秒一个。Nicol 将 GMG/UQ 的铝离子技术描述为直接替代(锂离子技术),其充电速度如此之快,可与超级电容器相比。"有些锂离子电池不能超过1.5-2安培,或者你可以炸毁电池,但我们的技术没有理论限制,"他说。
铝离子电池几乎不使用任何昂贵稀缺的材料,环境、财务和安全效益使这项技术成为锂离子的可行替代品。锂价格从2005年的每公吨1460.00美元上涨到2021年5月的13,000美元,而同期铝价仅从1,730.00美元涨至2,078.00美元。此外,与锂离子电池不同,如前所述,石墨烯铝离子电池不需要使用铜,铜的成本约为每吨8,470.00美元。
由于GMG生产自己的石墨烯,他们有信心,他们将能够在未来以所需的成本,使石墨烯铝电池经济。该公司表示,他们的工艺可以降低制造成本,因为他们需要非常低成本的现成天然气来制造石墨烯。
尼科尔说:"天然气中每千兆焦耳(GJ)或mmbtu中大约有15公斤的碳原子(取决于你的气体组成),在大多数国家,1GJ或1mmbtu的碳原子不到10美元,输送到现有管道中你需要的地方。
GMG计划在今年年底或明年初将石墨烯铝离子硬币电池推向市场,汽车电池计划于2024年初推出。