浙大研製出新型鋁-石墨烯電池 充電5秒通話2小時

2017年12月24日     1152     檢舉

來源:澎湃新聞網

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。

  

  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—放電作為一次循環,這種電池經歷25萬次循環,比電容量仍高達91%,幾乎沒有損失。

  如果智慧型手機用上這種電池,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,史丹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循環的鋁離子電池。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

  「現在一些智慧型手機也有快充功能,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。

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