美國(guó)斯坦福大學(xué)：鋁離子電池正極電極與電解液材料研究獲進(jìn)展

鋁離子電池 資料圖片

隨著世界對(duì)于可再生能源開(kāi)發(fā)需求的增長(zhǎng)，電網(wǎng)電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的短板日益凸顯。在鉛酸、鎳氫、鋰離子等主流電池體系當(dāng)中，鋰離子電池綜合性能最好，但是鋰的儲(chǔ)量有限，而且存在安全性隱患問(wèn)題；鉛酸電池雖然成本低廉，但鉛有環(huán)境污染問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)具備廉價(jià)、安全、長(zhǎng)壽命、可快速充電的電池系統(tǒng)成為目前世界研究熱點(diǎn)。

近年來(lái)，鋁離子電池的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了新的解決方案。它利用地殼上最豐富的金屬元素之一的”鋁”做為電池材料，由于一個(gè)鋁離子與鋁原子間的轉(zhuǎn)換，能夠有三個(gè)電子的得失，使其理論比容量?jī)H次于鋰，具備高度開(kāi)發(fā)潛力。

從80年代開(kāi)始，美國(guó)聯(lián)信公司、美國(guó)康乃爾大學(xué)、美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、印度理工學(xué)院等單位皆陸續(xù)投入鋁離子電池開(kāi)發(fā)，使用石墨、氟化石墨、金屬氧化物、導(dǎo)電高分子等材料做為正極，但皆未得到理想的放電電壓(<1.7V)與足夠的充放電循環(huán)(<100次)。

美國(guó)斯坦福大學(xué)化學(xué)系戴宏杰院士所率領(lǐng)的研究群在2015年使用發(fā)泡石墨材料作為正極，離子液體作為電解液，成功開(kāi)發(fā)出近30年來(lái)首個(gè)放電電壓在2V，且能充放電數(shù)千次的鋁離子電池，并提出完整電池反應(yīng)機(jī)理，相關(guān)研究成果發(fā)表在自然(Nature)雜志。

近期內(nèi)戴院士領(lǐng)導(dǎo)的研究群針對(duì)石墨電極容量不足、電解液成本高等問(wèn)題，又提出了低成本、高電容量石墨正極的新制程，同時(shí)開(kāi)發(fā)以尿素為主的低成本離子液體電解液，這兩者的結(jié)合讓鋁離子電池的產(chǎn)業(yè)化腳步往前邁進(jìn)了一大步。相關(guān)研究成果先后發(fā)表在近日出版的《自然—通訊》(Nature Communications)與《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》(Proceedings of the National Academy of Sciences)雜志上。

《自然—通訊》文中報(bào)道了一種利用天然石墨薄片作為陰極電極的鋁離子電池，該電池性能表現(xiàn)優(yōu)異，電容到達(dá)約110 mAhg-1，庫(kù)倫效率約為98%。在6 C倍率下，電池電容為60 mAh/g，超過(guò)6000次充放電循環(huán)后庫(kù)倫效率約為99%。另外，通過(guò)理論計(jì)算模擬研究了氯鋁酸鹽離子嵌入石墨層的行為機(jī)制。

《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》報(bào)導(dǎo)了使用氯化鋁與尿素離子液體電解液的鋁離子電池，該電池的庫(kù)倫效率表現(xiàn)優(yōu)異，能達(dá)到99.7%。在1.4C倍率下，電池容量為73 mAh/g，可穩(wěn)定充放電200次以上。氯化鋁與尿素電解液的成本低廉，搭配天然石墨材料做為陰極，鋁箔作為陽(yáng)極，上述材料所構(gòu)成的鋁離子電池成本低，且具備優(yōu)異電化學(xué)性能，讓鋁離子電池成為理想的電網(wǎng)儲(chǔ)電系統(tǒng)。

近期，鋁離子電池為電化學(xué)儲(chǔ)能電池領(lǐng)域的新研究熱點(diǎn)，歐、美、日、韓、澳等科技發(fā)達(dá)國(guó)家皆有研究團(tuán)隊(duì)從事相關(guān)研究工作。在國(guó)內(nèi)，包括山東科技大學(xué)的林孟昌教授、北京科技大學(xué)焦樹(shù)強(qiáng)教授、浙江大學(xué)高超教授、江西師范大學(xué)歐陽(yáng)楚英教授等研究團(tuán)隊(duì)也陸續(xù)在2015年后發(fā)表數(shù)篇關(guān)于石墨作為陰極材料的研究論文。這些工作厚植了鋁離子電池在于科學(xué)與工程上的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

目前，美國(guó)硅谷新創(chuàng)公司AB Systems INC專(zhuān)注于鋁離子電池產(chǎn)業(yè)化，已取得斯坦福大學(xué)鋁離子電池專(zhuān)利的專(zhuān)屬授權(quán)(專(zhuān)利申請(qǐng)日:1st US provisional filed on Feb 28, 2014; 2nd US provisional filed on Nov 6, 2014; PCT application filed on Feb 27, 2015)，該公司已經(jīng)成功聚集國(guó)內(nèi)、外多方產(chǎn)學(xué)研單位的資源，正全力將鋁離子電池推向市場(chǎng)應(yīng)用。