随着世界逐步转向可再生能源，对可行备用系统的需求日益增长。
研究人员开发出一种由廉价、丰富材料制成的新型电池，有望填补这一空缺。
这种电池采用铝、硫和岩盐晶体，可为单户住宅或小型企业供电。
随着世界各地不断建设规模更大的风能和太阳能发电系统，人们对经济实用的大规模备用系统的需求迅速增长，以便在夜间或无风时提供电力。如今的锂离子电池对这类应用而言仍然过于昂贵；抽水蓄能等其他方案则需要特定地形条件，而这些条件并非总能具备。
如今，麻省理工学院（MIT）及其他机构的研究人员开发出一种完全由丰富且廉价材料制成的新型电池，有望填补这一空缺。
这种新型电池采用铝和硫作为两种电极材料，中间以熔盐电解液隔开。相关研究于今日发表于期刊《自然》，并以一篇论文的形式刊出。论文由麻省理工学院教授唐纳德·萨多韦（Donald Sadoway）与麻省理工学院以及中国、加拿大、肯塔基州和田纳西州的另外15位研究人员共同撰写。
“我想发明一种更好的、远胜于锂离子电池的产品，用于小规模固定式储能，最终也用于汽车[应用]，”萨多韦解释道。他是约翰·F·埃利奥特荣休材料化学教授。
锂离子电池除了价格昂贵，还含有易燃电解液，因此并不十分适合用于交通运输。于是，萨多韦开始研究元素周期表，寻找廉价且地球储量丰富、可能替代锂的金属。他说，商业上占主导地位的金属铁并不具备制造高效电池所需的电化学特性。但在市场上储量排名第二、实际上也是地球上储量最丰富的金属是铝。“所以我想，好吧，就把它定为一端电极材料。那就用铝，”他说。
接下来要决定另一种电极材料与铝搭配什么，以及在两者之间使用哪种电解液，以便在充放电过程中传递离子。所有非金属中最便宜的是硫，因此它成为第二种电极材料。至于电解液，萨多韦说：“我们不会使用挥发性、易燃的有机液体。”这类液体有时会导致汽车及锂离子电池其他应用场景发生危险火灾。他们尝试过一些聚合物，最后转而研究多种熔点相对较低的熔盐——其熔点接近水的沸点，而许多盐的熔点则接近华氏1,000度。“温度降到接近体温后，制造无需特殊隔热和防腐措施的电池就变得切实可行了，”他说。
他们最终选定的三种成分价格低廉且易于获得——铝，与超市里的铝箔并无二致；硫，常常是石油精炼等工艺的废弃副产品；以及广泛供应的盐类。萨多韦说：“这些成分很便宜，而且这种电池很安全——不会燃烧。”
在实验中，研究团队证明，这些电池单体能够承受数百次循环，并以极高的充电速率运行；预计每个电池单体的成本约为同类锂离子电池单体的六分之一。他们还证明，充电速率高度取决于工作温度：在摄氏110度（华氏230度）时，充电速率比摄氏25度（华氏77度）时快25倍。
令人惊讶的是，研究团队仅因熔点低而选用的熔盐，后来证明还带来了意外优势。影响电池可靠性的最大问题之一是枝晶的形成：金属会在一个电极上聚集成细长尖刺，最终延伸至接触另一个电极，造成短路并降低效率。结果发现，这种特定的盐非常善于防止这一故障。
萨多韦说，他们选用的氯铝酸盐“基本上消除了这些失控生长的枝晶，同时还实现了非常快速的充电”。“我们进行了极高充电速率的实验，充电时间不到一分钟，而且从未有电池单体因枝晶短路而失效。”
“这挺有意思的，”他说，因为他们的全部重点原本是寻找熔点最低的盐，但最终选用的链状氯铝酸盐却能抵抗短路问题。萨多韦说：“如果一开始我们的目标就是防止枝晶短路，我不确定自己是否知道该如何着手。”“我想这对我们来说是歪打正着。”
此外，这种电池无需外部热源即可维持工作温度。电池充放电时会通过电化学反应自然产热。萨多韦说：“充电时会产生热量，防止盐冻结。放电时也会产生热量。”例如，在太阳能发电设施中用于负荷平衡的典型装置里，“阳光充足时储存电力，天黑后再取用电力，每天如此。这样的充电、静置、放电、静置过程足以产生足够热量，使电池维持在工作温度。”
他说，这种新型电池配方适用于规模大约足以为单户住宅或中小型企业供电的装置，储能容量约为数十千瓦时。
对于规模更大的装置，直至数十到数百兆瓦时的公用事业级规模，其他技术可能更有效，包括萨多韦及其学生几年前开发的液态金属电池。这项技术后来成为衍生公司Ambri的基础，该公司希望在未来一年内交付首批产品。凭借这项发明，萨多韦最近获颁本年度欧洲发明家奖。
萨多韦说，铝硫电池规模较小，也适用于电动汽车充电站等场景。他指出，随着电动汽车在道路上日益普及，可能会像如今汽油加油站的情形一样，出现多辆车同时需要充电的情况。“如果用电池供电并希望快速充电，所需电流就会非常大，而为设施供电的线路无法提供这么大的电流。”因此，使用这样的电池系统储存电力，并在需要时迅速释放，可以免去为这些充电桩铺设昂贵新电力线路的需要。
这项新技术已成为一家名为Avanti的新衍生公司的基础。该公司获得了这套系统相关专利的许可，由萨多韦和路易斯·奥尔蒂斯（Luis Ortiz，1996年获硕士学位、2000年获理学博士学位）共同创立；奥尔蒂斯也是Ambri的联合创始人。萨多韦说：“公司的首要任务是证明这项技术能够实现规模化应用”，随后还要对其进行一系列压力测试，包括完成数百次充电循环。
以硫为基础的电池是否可能产生某些硫化物带来的难闻气味？萨多韦说，绝无可能。“臭鸡蛋味来自硫化氢气体。这是单质硫，会被封装在电池单体内部。”他说，如果你试图在厨房里打开一个锂离子电池单体（请千万不要在家尝试！），“空气中的水分会与其发生反应，还会开始产生各种难闻气体。这些问题确实合理，但这种电池是密封的，并非敞口容器。所以我不会担心这一点。”
研究团队成员来自中国的北京大学、云南大学和武汉理工大学；肯塔基州的路易斯维尔大学；加拿大的滑铁卢大学；田纳西州的橡树岭国家实验室；以及麻省理工学院。这项工作得到了麻省理工学院能源倡议、麻省理工学院德什潘德技术创新中心和新奥集团的支持。
