工程师设计用于液体电池的基于钙的多种元素

艺术家的钙液电池渲染图。

在一项新发表的研究中，麻省理工学院的研究人员表明，钙既可以构成负极层，又可以构成形成三层电池中间层的熔融盐的基础。

麻省理工学院教授唐纳德·萨多威（Donald Sadoway）和他的学生在十年前发明了液态金属电池，它是使可再生能源变得更加实用的有希望的候选人。这些电池可以存储大量的能量，因此甚至可以平抑发电量和用电量的起伏，目前正由位于剑桥的初创公司Ambri进行商业化。

现在，Sadoway和他的团队发现了另一组化学成分，这些成分可以使该技术更加实用和负担得起，并且可以开发出一系列可以利用本地资源的潜在变体。

最新的发现发表在《自然通讯》杂志上，该书由Sadoway（他是John F. Elliott材料化学教授）和博士后Takanari Ouchi，以及Hojong Kim（现为宾夕法尼亚州立大学的教授）和博士学位的学生共同撰写。麻省理工学院的Brian Spatocco。他们表明，钙是一种既丰富又便宜的元素，可以构成负极层和形成三层电池中间层的熔融盐的基础。

萨多韦说，那是一个非常出乎意料的发现。钙具有一些特性，使其似乎不太可能在这种电池中工作。一方面，钙很容易溶解在盐中，但是液体电池的一个关键特征是，基于材料的不同密度，其三种成分中的每一种都形成了一个单独的层，就像不同的利口酒在某些新颖的鸡尾酒中是分开的一样。至关重要的是，这些图层不要在边界处混在一起，并保持其独特的身份。

他说，在液体电池中使钙起作用似乎是不可能的，这引起了Ouchi的注意。“这是最困难的化学过程”，但由于钙的低成本以及其固有的负电压（高电压），因此具有潜在的益处。他说：“对我来说，最困难的事我最高兴。”萨多威指出，这是麻省理工学院非常典型的态度。

钙的另一个问题是它的高熔点，这将迫使液体电池在接近900摄氏度的温度下工作，“这太荒谬了，”萨多韦说。但是，这两个问题都是可以解决的。

首先，研究人员通过将钙与另一种便宜的熔点低得多的金属镁合金化来解决温度问题。所得混合物可提供较低的工作温度（比纯钙低约300度），同时仍保持钙的高压优势。

另一个关键的创新是用于电池中间层的盐的配方，即电解质，当使用电池时，电荷载流子或离子必须穿过。这些离子的迁移伴随着电流流过电线，电线连接到上，下熔融金属层（电池的电极）。

新的盐配方由氯化锂和氯化钙的混合物组成，结果证明钙镁合金不能很好地溶解在这种盐中，从而解决了钙使用的另一个挑战。

但是解决这个问题也带来了很大的惊喜：通常，只有一个“流动离子”穿过可充电电池中的电解质，例如，锂离子电池中的锂或钠硫中的钠。但是在这种情况下，研究人员发现，熔融盐电解质中的多个离子有助于流动，从而提高了电池的整体能量输出。Sadoway说，这是一个完全偶然的发现，可以为电池设计开辟新的途径。

Sadoway说，这种新的电池化学成分还有另一个潜在的巨大好处。“这里有讽刺意味。如果您要寻找高纯度的矿体，通常会同时发现镁和钙。”他说。纯化其中的一种或另一种需要大量的精力和精力，要从镁中去除钙“污染物”，反之亦然。但是，由于这些电池中电极所需的材料是这两种材料的混合物，因此可以通过使用已经包含其他一些材料的“较低”等级的两种金属来节省初始材料成本。

他说：“存在人们从未想到的整个供应链优化水平。”

Sadoway和Ouchi强调，这些特殊的化学组合只是冰山一角，这可能代表了设计电池配方的新方法的起点。而且由于所有这些液体电池，包括他实验室的原始液体电池材料以及Ambri正在开发的材料，都将使用类似的容器，绝缘系统和电子控制系统，因此电池的实际内部化学性质可能会随着时间的推移而不断发展。它们还可以适应当地条件和材料可用性，同时仍使用大多数相同的组件。

Sadoway说：“这里的课程是探索不同的化学方法，并为不断变化的市场状况做好准备。”他们开发的“不是电池；而是电池。这是整个电池领域。他说，随着时间的流逝，人们可以探索元素周期表的更多部分，以找到更好的配方。

“本文在“基于成本的发现”战略框架内融合了电池设计和组件材料方面的创新工程进展，该战略框架适合大规模应用网格规模的应用，化学教授理查德·阿尔基尔（Richard Alkire）说。伊利诺伊大学的生物分子工程学和未参与这项研究的人。

由于这项工作建立在用于铝生产的发达的电化学系统的基础上，Alkire说：“因此，通往网格规模应用的道路可以利用在可持续性，环境，生命领域的大量现有工程经验周期，材料，制造成本和扩大规模。”

这项研究得到了美国能源部能源高级研究项目（ARPA-E）和法国能源公司道达尔（Total S.A）的支持。

出版物：Takanari Ouchi等人，“用于网格规模的电化学储能的基于钙的多元素化学”，《自然通讯》第7期，文章编号：10999; doi：10.1038 / ncomms10999