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【化学与材料】浙江大学高超教授团队:研发新型铝石墨烯电池,耐热耐冻耐弯寿命长
特斯拉 2017-12-22
导语

急着出门办事,电瓶车却还要充很久才满电;掏出手机想在冰天雪地中拍照,手机却自动关机了;用了两年的平板电脑,怎么也充不进电……这些生活中的用电尴尬,科学家们正在努力想办法克服。

急着出门办事,电瓶车却还要充很久才满电;掏出手机想在冰天雪地中拍照,手机却自动关机了;用了两年的平板电脑,怎么也充不进电……这些生活中的用电尴尬,科学家们正在努力想办法克服。

近日,浙江大学高分子科学与工程学系高超团队(见课题组主页)研制出新型铝—石墨烯电池,短短几秒便可充电完成,循环充放电25万次后依然电力十足,并展现出耐热、抗冻、反复弯折不影响性能等优异特性,显示出广泛的应用前景。

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。

▍耐热耐冻耐弯折的“长寿”电池

图:柔性铝—石墨烯电池点亮了“ZJU 120”LED灯串

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。

课题组的硕士生徐晗彦解释,“比容量”和“倍率”是两个评判电池性能的关键指标,其中,比容量可以理解为单位质量或单位体积电池的电量,比容量越大,储电量越高;而倍率则代表快速和正常两种充电模式下电量的差异,一般说来,快速充电充满状态下的电量要低于正常充电模式下充满的电量,两个数值越接近,就说明电池的倍率性能越好。

左:电池在冰盐浴中工作;右:电池在高温下不燃烧

同时,这种电池可以在-40℃到120℃的环境中工作,可谓既耐高温,又抗严寒。在-30℃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℃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时也不会起火或爆炸。

“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。

图:“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

高超课题组的新型电池给我们展示了美好的前景:比如,手机充电数秒就完成,在极寒和高温环境中能自如工作,不用担心电池爆炸,不用担心电池老化。但是,高超说,这离真正商业化还有很大的挑战,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。

文章链接:

Hao Chen, et al, "Ultrafast all-climate aluminum-graphene battery with quarter-million cycle life," Science Advances  15 Dec 2017:Vol. 3, no. 12, eaao7233, DOI: 10.1126/sciadv.aao7233

图:高超课题组

(本文来源:“浙大科学+++”微信公众号;

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  • 浙江大学
  • 铝电池
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作者 特斯拉

副研究员

中科院

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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