從筆記本電腦和智能手機到電動汽車和可再生能源儲存，大多數高科技設備對電池技術有明確的要求。過去三十年中，由于其高能量密度和長壽命，鋰離子（Li-ion）電池設立了行業標準。然而，隨著下一代長程車輛和電動飛機的出現，鋰離子電池的限制正受到挑戰，尋找更安全、更經濟、更強大的替代品越來越緊迫。

作為地殼中第三豐富的元素，鋁因其性價比高，供應廣泛且不易燃燒得以作為Li-ion電池的可行替代物。在 1970 年代，人們就開始探索使用鋁作為電池材料的可能性。然而，由于鋁在幾次充放電周期后就容易碎裂和退化，因此在傳統的 Li-ion 電池中未能展現出潛力。今天，由佐治亞理工學院的研究團隊在 Matthew McDowell 的帶領下，他們的開創性研究為基于鋁的電池描繪了新的方向，為鋁基電池提供了新的發展道路。

陽極的作用及鋁的潛力

陽極在電池的性能中起著至關重要的作用，因為它決定了電池可以存儲多少電荷，并可以多快釋放這些電荷。不同的陽極材料可以存儲不同數量的電荷。例如，作為輕元素的鋰有三個電子，可以釋放其中的一個電子變為帶正電的鋰離子。相比之下，鋁是重元素，有 13 個電子，可以釋放其中的三個電子變為帶正電的鋁離子。因此，鋁陽極有潛力存儲和釋放相較于鋰離子來說的三倍電荷，從而制造出更高能量密度的電池。

然而，這里需要權衡一下：當陽極將其離子釋放到電解質時，它會收縮，而當它再次吸收這些離子時，它會膨脹。這種膨脹和收縮可能會導致陽極隨著時間的推移變得越來越薄并退化，進而終止電池的壽命。這正是為什么早期使用鋁陽極的電池設計出現問題的原因 - 鋁的過度膨脹和收縮導致電池在幾次充放電周期后就失敗。

顛覆性的發現

佐治亞理工學院的研究團隊利用鋁箔開發了具有更高能量密度和改進穩定性的電池。研究發現將“微結構”納入鋁箔中。研究團隊在鋁中引入了少量其他材料，從而制造出具有特定屬性的箔。他們測試了一百多種不同的材料，以了解它們在電池中的行為。這樣，鋁就可以在充電和放電時膨脹和收縮，而不會破裂，使其成為陽極的適合材料。

研究結果

研究表明，鋁陽極是電池優化的關鍵，鋁陽極比傳統的陽極材料能夠裝載更多的鋰，能夠存儲鋰以產生能量。此增加的容量導致了更高的能量密度。這項重大的改進暗示，在固態電池中的鋁箔陽極有可能超越鋰離子電池的性能。

未來展望和應用

隨著團隊對電池尺寸的拓寬以及對其他材料和微結構的研究，他們的目標是創造出對電池系統具有極高性價比的箔。在過去被認為是不切實際的研究領域中，鋁箔陽極電池正在為潛在電池材料的探索打開道路。說明電氣汽車和電動飛機等電源數量較大的設備應用選擇了一種有更漫長的未來前景的方向。它們有著潛力來改進能源的利用效率，并簡化了電池電池單元的設計，降低生產開支，使電池在更寬范圍的應用中更易獲得和付得起，最終有助于實現更可持續和節能的世界。

其他可能的電池材料

除了鋁，還有其他一些可能作為陽極的材料，如硅，它具有石墨的十倍能量密度，石墨常用于傳統的Li-ion電池陽極。然而，硅在體積膨脹和在多周期內的穩定性方面遇到了與鋁相似的挑戰。在硅鋰離子電池也有著積極的研究。目前也有研究對鈉離子電池，這可能為Li-ion電池提供更經濟及對環境更友好的選擇，這歸因于鈉的豐富和可回收的特性。

這些研究可能是發掘電力電池潛力中的一個個小進步。但我們相信，未來這些技術的不斷創新和完善會持續推動儲能的發展。