研究人员正在设计一种原型电池，该电池使用周期性相邻的钙代替锂。图片来源：© ConvertSight，Shutterstock
自从发现电以来，发明者一直在为如何存储它而苦苦挣扎。电池作为以化学方式保存能量的最常见方式出现的相对较快，但从便携性到可充电性，我们需要花费几个世纪的时间调整元素组合来制造我们现代设备所依赖的电池。
锂离子电池推动了我们的便携式电子产品时代，但它们越来越成为自身成功的牺牲品。锂矿开采成本高昂，而且金属处理起来很危险，使得加工和回收变得困难。
需求也超过了可用供应，澳大利亚内陆等地的地理隔离可能使供应链变得困难。
欧盟数据显示，到 2050 年，欧洲将需要多达 60 倍的锂来满足对电动汽车电池和可再生能源存储的需求，这将成为实现欧洲绿色协议中规定的排放目标的支柱。
这导致像 M. Rosa Palacín 博士这样的研究人员尝试用欧洲境内发现的更丰富的元素制造出同样有效的电池。她和她来自欧盟各地的团队位于巴塞罗那附近的 ICMAB -CSIC，旨在制造一种原型电池，该电池使用周期性邻居钙而不是锂。这项工作由欧洲创新委员会开放探路者赠款资助，并被称为CARBAT项目。
从骨头到白垩，钙的含量大约是锂的 2000 倍。
“钙是地壳上最丰富的元素之一，”帕拉辛博士说。“它不像锂那样在地理上集中。这可以使电池便宜，因为原材料很便宜。”
补钙
所有电池都依赖于类似的结构。正离子从负极穿过电解质流向正极，而负电流则在电池外流动，可用于为设备供电。
但是使用钙作为负极提供了使用石墨的锂离子电池无法提供的优势——更高的能量密度，或者每公斤可以存储多少能量。
“通过这种配置，我们在理论上建议我们可以实现非常高的能量密度，这是因为我们将使用金属作为电极之一，”Palacín 博士解释说。
锂离子电池无法达到如此高的能量密度，因为它们不能使用高活性金属锂作为电池中的电极。它倾向于形成枝晶，一种微小的刚性树状结构，可以在锂电池内部生长并导致短路，甚至导致电池在多次使用中爆炸。
在电池中使用钙金属可以让研究人员利用其元素特性，其外壳中有两个电子可能会丢失。
“当任何钙通过电解质时，两个电子会在外面传播(而不是一个与锂一起)，”她说。“可以想象，对于相同的电池尺寸，如果你在电动汽车上使用它，只要找到合适的正极，续航里程会更高。”
寻找合适的盐
然而，同样的特性使得选择其他组件来构建原型电池变得更加复杂，例如离子流过的电解质。
“Ca2+ 离子和溶剂分子之间在电解质中存在许多相互作用，这阻碍了钙的流动性，”Palacín 博士说。
电解质中非常好的导电性意味着离子可以更快地移动，电池将具有更高的功率。
为了解决这个问题，研究人员模拟了不同的盐和溶剂，以找到一种电解质，可以在钙电极上形成钝化层，使离子更容易转移。
“最后，似乎所有有效的电解质盐都含有硼，”她说。“我们使用溶解在碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯混合物中的四氟硼酸钙。”
将原型商业化的下一步将是改进用于使用钙制造电极的方法并开发合适的正极。
“细胞组装的所有工程都非常具有挑战性，因为必须开发新的协议，”Palacín 博士说。
其他丰富的元素
丹麦技术大学的 Juan Lastra 博士参与了另一项用更常见元素制造电池的工作。作为SALBAGE项目的研究员，他是一个致力于用铝阳极和硫阴极制造电池的团队的一员。
虽然铝的含量甚至比钙还丰富，但在电池中使用它也带来了类似的挑战。
“所有这些多价离子(Ca2+、Al3+)都非常活泼……而且这些离子很难自行移动，”他说。
在铝硫电池中，铝总是以铝和一些氯离子AlCl4-的形式存在。
“你有一个转换过程，其中这种铝逐渐与 AlCl4 簇分离，与阴极侧的硫发生反应，”Lastra 博士说。“它更像是你车里的铅酸电池，而不是手机里的锂离子电池。”
电脑制造的可弯曲电池
为了改善这些离子的转移，该团队专注于使用一种称为深共晶溶剂的新型电解质。
“低共熔溶剂是将两种固体放在一起并变成液体时，”拉斯特拉博士解释说。“就像你把盐和冰放在一起，它们甚至会在冰点以下形成液体(盐水)。”
他们使用超级计算机模拟了如何将氯化铝盐与尿液中常见的尿素结合，以找到液体电解质的最佳混合比例。
“我们最多模拟大约 300 个原子……我们的模拟时间不超过一纳秒，”拉斯特拉博士说。“但模拟这种液体的一纳秒需要半年时间。”
这需要很长时间，因为研究人员必须查看每纳秒一百万步才能正确模拟所有可能的反应。
西班牙项目的研究人员利用正确的电解质比例发现，他们可以通过在溶液中添加聚合物来使电解质变成凝胶。
“就安全性和外形而言，拥有凝胶非常有利，”Lastra 博士说。“如果你有凝胶，那么你的电池将是灵活的，你将能够弯曲它。”
使用凝胶代替液体也增加了安全性，因为电池不容易泄漏。这是因为这些材料都是安全且便宜的。
“这一切都基于廉价材料。铝、硫、电解质本身和尿素非常非常便宜。甚至聚合物也很便宜，”拉斯特拉博士说。
组件的安全性可能是电池未来发展的关键因素。锂离子电池的主要缺点之一是它们含有有毒和稀有元素，使其难以融入循环经济。
铝硫电池承诺从欧洲内部采购组件并提高工业能源安全。未来的改进甚至可以通过在不积极发电时储存电力来帮助增加我们对可再生能源的吸收。
“对于固定应用，例如从风电场或太阳能存储能量，这种技术可能具有竞争力，”拉斯特拉博士说。