可充电铝离子电池由于低成本, 高安全性, 铝金属负极的高容量等优点, 在新一代能源系统中颇具前景. 充电5分钟, 通话2小时的广告, 对铝离子电池来说, 不过是小菜一碟.
图1. 超快速充电的铝离子电池
问题在于: 铝离子电池正极材料容量较低, 而且使用寿命短, 比率放电能力不强, 是铝离子电池实现商业化的重要阻碍.
有鉴于此, 浙江大学高超课题组开发了一种高品质特殊结构石墨烯正极材料, 构建了超高性能的铝离子电池.
图2. 石墨烯正极材料设计
研究人员首先通过流延涂布或湿法纺丝技术的氧化石墨烯薄膜液晶溶液制备氧化石墨烯膜, 然后通过化学还原和高温退火, 制备得到还原氧化石墨烯膜.
还原氧化石墨稀膜的高度组装, 赋予其高度取向结构, 可保证高的力学强度和杨氏模量. 高温退火和伴随的气体压力确保了无缺陷高品质和高通道结构, 可实现更高的容量, 连续的电子传递, 连续的离子扩散和连续的电解质透过性, 以及反应液和电解质之间更快的氧化还原反应.
图3 石墨烯正极材料的结构表征
这种正极在400 A g-1(1.1 s)超高电流密度下循环25万次, 还能实现120 mAh g-1的比容量, 容量保持率高达91.7%. 同时, 在400 A g-1(1.1 s)电流密度下, 比率放电能力达到111 mAh g−1. 在比率放电能力和循环性能上, 打破了记录.
图4 石墨烯正极材料的电化学性能
图5. 铝-石墨烯电池性能
基于这种正极材料组装的Al-石墨烯电池可在-40-200℃的全天候温度条件下正常工作, 并且具有良好的柔性, 可满足1万次的折叠, 适用于各种可穿戴电子器件.
总之, 这项研究为超级电池研究指明了新的道路!