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幾秒就充滿,-40℃工作,浙大研製出新型鋁電池
精華耀邦 / 2019-05-29

浙江24小時-錢江晚報記者 章咪佳 通訊員 周煒

急着出門辦事,電瓶車卻還要充很久才滿電;

掏出手機想在冰天雪地中拍照,手機卻自動黑屏關機了;

用了兩年的平板電腦,怎麼也充不進電……

這些生活中的用電尷尬,科學家們正在努力想辦法克服。

近日,浙江大學高超團隊研製出新型鋁-石墨烯電池,短短几秒便可充電完成,循環充放25萬次後依然電力十足,並展現出耐熱、抗凍,反覆彎折不影響性能等優異特性,顯示出廣泛的應用前景。

12月15日,相關論文Ultrafast all-climate aluminum-graphene battery with quarter-million cycle life發表於Science Advances,第一作者爲團隊的陳皓博士。

 

【耐熱耐凍耐彎折的長壽電池】

△ 柔性鋁-石墨烯電池點亮了“ZJU 120”LED灯串

一片片泛着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25萬次充放電循環後仍能保持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。

課題組的碩士生徐晗彥解釋,“比容量”和“倍率”是兩個評判電池性能的關鍵指標,其中,比容量可以理解爲單位質量或單位體積電池的電量。比容量越大,儲電量越高。而倍率則代表快速和正常兩種充電模式下電量的差異。一般說來,快速充電充滿狀態下的電量要低於正常充電模式下充滿的電量,兩個數值越接近,就說明電池的倍率性能越好。

△ 電池在冰鹽浴中工作

△ 電池在高溫下不燃燒

同時,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度的環境中,它能實現4.5萬次穩定循環。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時也不會起火或爆炸。

“这种铝-石墨烯‘超级’電池,倍率性能和循環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,相當的倍率性能和循環壽命。”高超说。

 

【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循環的鋁離子電池。高超課題組受此啓發,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“三高三连续”设计原则。

“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’的状态。”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‘归位’。如果路不夠多或者道路擁擠,性能就會受到影響。“三高”指微观结构的高质量、高取向、高孔道率;“三连续”指宏觀結構上有連續的導電網絡、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】

高超課題組的新型電池給我們展示了美好的前景:比如,手機充電數秒就完成,在極寒和高溫環境中能自如工作,不用擔心電池爆炸,不用擔心電池老化。但是,高超說,這離真正商業化還有很大的挑戰,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。

 

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