近日，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系高超團(tuán)隊研制出的新型鋁-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(huán)境中工作，可謂既耐高溫，又抗嚴(yán)寒。在零下30攝氏度的環(huán)境中，這種新型電池能實現(xiàn)1000次充放電性能不減，而在100攝氏度的環(huán)境中，它能實現(xiàn)4.5萬次穩(wěn)定循環(huán)。這種新型電池是柔性的，將它彎折一萬次后，容量完全保持；而且，即使電芯暴露于火焰中也不會起火或爆炸。

12月15日，相關(guān)論文Ultrafast all-climate aluminum-graphene battery with quarter-million cycle life發(fā)表于Science Advances，第一作者為團(tuán)隊的陳皓博士。

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(tuán)隊最新研發(fā)的石墨烯—鋁電池。它的正極是石墨烯薄膜，負(fù)極是金屬鋁。把兩片電池串聯(lián)在一起，就能點亮一組LED燈。經(jīng)過測試，石墨烯正極的比容量達(dá)到120mAh/g（毫安時每克），在25萬次充放電循環(huán)后仍能保持91%的容量；同時其倍率性能優(yōu)異，快速充電可1.1秒內(nèi)充滿電，仍具有111mAh/g的可逆比容量。

相比于鋰電池，高超課題組研發(fā)的鋁-石墨烯電池展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢：一般電池隨著反復(fù)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(xiàn)優(yōu)異。如果把一次充電—放電作為一次循環(huán)，這種電池經(jīng)歷25萬次循環(huán)，比電容量仍高達(dá)91%，幾乎沒有損失。

也就是說，如果智能手機(jī)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(huán)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他電池，比超級電容器具有更高的能量密度，相當(dāng)?shù)谋堵市阅芎脱h(huán)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，在電池制備中是一種理想的負(fù)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(guān)鍵問題是要設(shè)計出能與鋁匹配、高效工作的正極材料，才能真正發(fā)揮出色的電化學(xué)性能。

2015年，斯坦福大學(xué)的戴宏杰課題組在Nature雜志發(fā)表工作，采用高溫裂解石墨泡沫來制作正極，首次實現(xiàn)了比容量較高且可長循環(huán)的鋁離子電池。高超課題組受此啟發(fā)，嘗試用石墨烯膜來制作鋁電池的電極。

經(jīng)過一年半摸索和積累，高超團(tuán)隊提出了石墨烯正極材料的“三高三連續(xù)”設(shè)計原則。

“電池的性能，關(guān)鍵取決于電子和離子在正極和負(fù)極之間‘奔跑’的狀態(tài)。”高超說，電極材料要讓盡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(jié)構(gòu)的高質(zhì)量、高取向、高孔道率；“三連續(xù)”指宏觀結(jié)構(gòu)上有連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、連續(xù)的離子傳輸通道和連續(xù)的離子嵌層通道。

這一設(shè)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，可反復(fù)充放電次數(shù)也在數(shù)千次以內(nèi)。

商業(yè)化仍有挑戰(zhàn)

“現(xiàn)在一些智能手機(jī)也有快充功能，看似電池很快充滿了，實際續(xù)航時間并不長。”高超說，而這種新型電池現(xiàn)在的實驗室數(shù)據(jù)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(jī)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(yè)化還面臨很大的挑戰(zhàn)，需要更多科學(xué)家的努力和投入才能實現(xiàn)。

高超說，目前的正極比容量、輸出電壓及面負(fù)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，今后還需在保持高功率密度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高能量密度。此外，目前經(jīng)典的離子液體電解質(zhì)價格較貴，如果可以找到更廉價的電解質(zhì)，鋁離子電池的商業(yè)前景將更寬廣。

來源：浙江大學(xué)官方微信 作者：周煒 朱原之