中澳开发出第一个铝电池，安全无毒不燃爆，能取代锂电池吗？
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最近，中国和澳大利亚的科学家联手开发成功世界上第一个安全高效无毒的水性铝自由基电池， 具有低成本、高理论容量和丰富储量的优势，或将为未来新能源领域带来美好的前景。
电池已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分，无论手机、电脑、还是电动汽车，都离不开电池的供能。然而传统的电池往往含有有毒的化学物质，如铅、镉、汞等，这些物质对环境和人体健康都有极大的危害，而且难以回收利用。如果这些电池被随意丢弃或损坏，就会造成土壤和水源的污染，危及人类及动植物的生命安全。
为了解决这个问题，来自中国浙江理工大学张凯教授（Kai Zhang）和澳大利亚弗林德斯大学贾忠帆教授（Zhongfan Jia）领导的团队，成功地开发出了一种水性铝自由基电池。这种电池使用了一种特殊的材料，叫做稳定的有机自由基，其中包含了一个关键的元素，叫做2,2,6,6-四甲基哌啶基-1-氧基（TEMPO）。这种元素具有高氧化还原电位和快速电化学动力学的特点，可以作为电池的正极材料。而电池的负极材料则是铝金属，一种低成本、高理论容量的材料，在地球上有着丰富的储量。
与传统电池不同，水性铝自由基电池使用水性液体作为电解质，而不是有机液体，更安全、更便宜、更环保，同时可以防止电池发生火灾或爆炸。科学家们设计了一种特殊的水性路易斯酸电解质，可以使铝离子在正负极之间可逆地沉积和剥离，同时也可以通过铁离子的氧化还原反应来提高电池的能量密度。这些反应通过负极上形成的铁铝合金来实现平行和耦合，从而增强了电池的可逆性和稳定性。
试验结果表明，这种水性铝自由基电池可以在800次循环中提供1.25伏特的稳定电压输出和110毫安时/克的容量，每次循环的损失只有0.028%。另外，这种电池具有约42瓦时/升的高能量密度和1.1伏特的平均工作电压，可以说是一种绿色、高能量的电池，有望用于大规模的储能设备。
与目前最常用的锂离子电池（LIB）相比，水性铝自由基电池（AIB）具有以下几个优点：
AIB 更安全，因为它使用了水性电解质，而不是易燃的有机电解质，可避免电池燃爆的风险。 AIB 更环保，因为它使用了无毒的材料，如铝、铁、水等，都是些地壳中含量丰富的元素，可以循环利用，而不会对环境造成污染。 AIB 更便宜，因为铝、铁、水等都是常见的低成本工业材料，可以大规模生产，而不需要昂贵的稀土元素。 AIB 更高效，因为它使用了高容量的材料，如TEMPO和铝金属，这些材料具有高氧化还原电位和高理论比容量，可以提供更多的储能单元。不过AIB 也有一些缺点和挑战：
AIB 的工作电压较低，因为它使用了水性电解质，而水在1.23伏特以上就会发生电解反应，限制了电池的电压窗口。 AIB 的稳定性较差，因为它使用了自由基材料和铝金属，这些材料容易受到氧化层和氢析出等影响，降低了电池的可逆性和寿命。 AIB 的能量密度较低，因为它使用了水性电解质和自由基材料，这些材料相比于有机电解质和过渡金属氧化物等材料，具有较低的能量密度。所以水性铝自由基电池目前还处于早期的研究阶段，需要进一步提高其性能和稳定性，才能与锂离子电池竞争，未来的应用前景还需要更多的实验和验证。但AIB无疑是一种具有创新意义和潜力的新型电池，值得我们期待和关注。
这项研究2023年6月23日发表在《美国化学会志》上。
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