近日, 浙江大学高分子科学与工程学系高超团队研制出的新型铝-石墨烯电池. 这种电池可以在零下40摄氏度到120摄氏度的环境中工作, 可谓既耐高温, 又抗严寒. 在零下30摄氏度的环境中, 这种新型电池能实现1000次充放电性能不减, 而在100摄氏度的环境中, 它能实现4.5万次稳定循环.
这种新型电池是柔性的, 将它弯折一万次后, 容量完全保持; 而且, 即使电芯暴露于火焰中也不会起火或爆炸.
12月15日, 相关论文Ultrafast all-climate aluminum-graphene battery with quarter-million cycle life发表于Science Advances, 第一作者为团队的陈皓博士.
电池在高温下不燃烧
耐热耐冻耐弯折的 '长寿' 电池
一片片泛着金属光泽的深灰色薄膜, 就是团队最新研发的石墨烯—铝电池. 它的正极是石墨烯薄膜, 负极是金属铝. 把两片电池串联在一起, 就能点亮一组LED灯. 经过测试, 石墨烯正极的比容量达到120mAh/g (毫安时每克) , 在25万次充放电循环后仍能保持91%的容量; 同时其倍率性能优异, 快速充电可1.1秒内充满电, 仍具有111mAh/g的可逆比容量.
铝-石墨烯电池点亮了印有'ZJU120'的LED灯串
相比于锂电池, 高超课题组研发的铝-石墨烯电池展现出明显优势: 一般电池随着反复充放电, 比电容量会不断降低, 这就是俗话说的 '不耐用' .
但这块长相 '毫不起眼' 的铝-石墨烯电池在这一点上则表现优异. 如果把一次充电—放电作为一次循环, 这种电池经历25万次循环, 比电容量仍高达91%, 几乎没有损失.
如果智能手机用上这种电池, 每天哪怕充电10次, 也能用上近70年.
'这种铝—石墨烯 '超级' 电池, 倍率性能和循环寿命远远超过其他电池, 比超级电容器具有更高的能量密度, 相当的倍率性能和循环寿命. ' 高超说.
铝电池体系迈出一大步
铝是地壳中含量最丰富的金属元素, 廉价安全, 在电池制备中是一种理想的负极材料. 但是多年来, 铝电池的整体性能仍然比不上锂离子电池和超级电容器. 关键问题是要设计出能与铝匹配, 高效工作的正极材料, 才能真正发挥出色的电化学性能.
2015年, 斯坦福大学的戴宏杰课题组在Nature杂志发表工作, 采用高温裂解石墨泡沫来制作正极, 首次实现了比容量较高且可长循环的铝离子电池. 高超课题组受此启发, 尝试用石墨烯膜来制作铝电池的电极.
经过一年半摸索和积累, 高超团队提出了石墨烯正极材料的 '三高三连续' 设计原则.
'三高三连续' 设计原则
'电池的性能, 关键取决于电子和离子在正极和负极之间 '奔跑' 的状态. ' 高超说, 电极材料要让尽可能多的电子和离子畅通地奔跑, 或者快速 '归位' . 如果路不够多或者道路拥挤, 性能就会受到影响. '三高' 指微观结构的高质量, 高取向, 高孔道率; '三连续' 指宏观结构上有连续的导电网络, 连续的离子传输通道和连续的离子嵌层通道.
这一设计原则让铝—石墨烯电池的性能向前迈出一大步. 之前, 铝电池的比容量一直在60mAh/g左右徘徊, 可反复充放电次数也在数千次以内.
商业化仍有挑战
'现在一些智能手机也有快充功能, 看似电池很快充满了, 实际续航时间并不长. ' 高超说, 而这种新型电池现在的实验室数据是1.1秒就能充满电, 比电容量损失轻微.
这表明, 未来如果用到手机上, 充电5秒钟通话2小时是完全可能的. 但是, 高超说, 距离真正商业化还面临很大的挑战, 需要更多科学家的努力和投入才能实现.
高超说, 目前的正极比容量, 输出电压及面负载量还有较大的提升空间, 能量密度不足以与锂离子电池相匹敌, 今后还需在保持高功率密度的基础上进一步提高能量密度. 此外, 目前经典的离子液体电解质价格较贵, 如果可以找到更廉价的电解质, 铝离子电池的商业前景将更宽广.
