近日, 浙江大學高分子科學與工程學系高超團隊研製出的新型鋁-石墨烯電池. 這種電池可以在零下40攝氏度到120攝氏度的環境中工作, 可謂既耐高溫, 又抗嚴寒. 在零下30攝氏度的環境中, 這種新型電池能實現1000次充放電性能不減, 而在100攝氏度的環境中, 它能實現4.5萬次穩定迴圈.
這種新型電池是柔性的, 將它彎折一萬次後, 容量完全保持; 而且, 即使電芯暴露於火焰中也不會起火或爆炸.
12月15日, 相關論文Ultrafast all-climate aluminum-graphene battery with quarter-million cycle life發表於Science Advances, 第一作者為團隊的陳皓博士.
電池在高溫下不燃燒
耐熱耐凍耐彎折的 '長壽' 電池
一片片泛著金屬光澤的深灰色薄膜, 就是團隊最新研發的石墨烯—鋁電池. 它的正極是石墨烯薄膜, 負極是金屬鋁. 把兩片電池串聯在一起, 就能點亮一組LED燈. 經過測試, 石墨烯正極的比容量達到120mAh/g (毫安時每克) , 在25萬次充放電迴圈後仍能保持91%的容量; 同時其倍率性能優異, 快速充電可1.1秒內充滿電, 仍具有111mAh/g的可逆比容量.
鋁-石墨烯電池點亮了印有'ZJU120'的LED燈串
相比於鋰電池, 高超課題組研發的鋁-石墨烯電池展現出明顯優勢: 一般電池隨著反覆充放電, 比電容量會不斷降低, 這就是俗話說的 '不耐用' .
但這塊長相 '毫不起眼' 的鋁-石墨烯電池在這一點上則表現優異. 如果把一次充電—放電作為一次迴圈, 這種電池經曆25萬次迴圈, 比電容量仍高達91%, 幾乎沒有損失.
如果智能手機用上這種電池, 每天哪怕充電10次, 也能用上近70年.
'這種鋁—石墨烯 '超級' 電池, 倍率性能和迴圈壽命遠遠超過其他電池, 比超級電容器具有更高的能量密度, 相當的倍率性能和迴圈壽命. ' 高超說.
鋁電池體系邁出一大步
鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素, 廉價安全, 在電池製備中是一種理想的負極材料. 但是多年來, 鋁電池的整體性能仍然比不上鋰離子電池和超級電容器. 關鍵問題是要設計出能與鋁匹配, 高效工作的正極材料, 才能真正發揮出色的電化學性能.
2015年, 斯坦福大學的戴宏傑課題組在Nature雜誌發表工作, 採用高溫裂解石墨泡沫來製作正極, 首次實現了比容量較高且可長迴圈的鋁離子電池. 高超課題組受此啟發, 嘗試用石墨烯膜來製作鋁電池的電極.
經過一年半摸索和積累, 高超團隊提出了石墨烯正極材料的 '三高三連續' 設計原則.
'三高三連續' 設計原則
'電池的性能, 關鍵取決於電子和離子在正極和負極之間 '奔跑' 的狀態. ' 高超說, 電極材料要讓儘可能多的電子和離子暢通地奔跑, 或者快速 '歸位' . 如果路不夠多或者道路擁擠, 性能就會受到影響. '三高' 指微觀結構的高質量, 高取向, 高孔道率; '三連續' 指宏觀結構上有連續的導電網路, 連續的離子傳輸通道和連續的離子嵌層通道.
這一設計原則讓鋁—石墨烯電池的性能向前邁出一大步. 之前, 鋁電池的比容量一直在60mAh/g左右徘徊, 可反覆充放電次數也在數千次以內.
商業化仍有挑戰
'現在一些智能手機也有快充功能, 看似電池很快充滿了, 實際續航時間並不長. ' 高超說, 而這種新型電池現在的實驗室數據是1.1秒就能充滿電, 比電容量損失輕微.
這表明, 未來如果用到手機上, 充電5秒鐘通話2小時是完全可能的. 但是, 高超說, 距離真正商業化還面臨很大的挑戰, 需要更多科學家的努力和投入才能實現.
高超說, 目前的正極比容量, 輸出電壓及面負載量還有較大的提升空間, 能量密度不足以與鋰離子電池相匹敵, 今後還需在保持高功率密度的基礎上進一步提高能量密度. 此外, 目前經典的離子液體電解質價格較貴, 如果可以找到更廉價的電解質, 鋁離子電池的商業前景將更寬廣.
