近日，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系高超團(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)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(duì)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(tuán)隊(duì)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(diǎn)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(shí)每克），在25萬次充放電循環(huán)后仍能保持91%的容量；同時(shí)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。
鋁-石墨烯電池點(diǎn)亮了印有“ZJU120”的LED燈串
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(diǎn)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。
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(jià)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(jì)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(shí)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(duì)提出了石墨烯正極材料的“三高三連續(xù)”設(shè)計(jì)原則。
“三高三連續(xù)”設(shè)計(jì)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。
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