浙江大學高超教授課題組用石墨烯膜作為正極材料，研發(fā)出一種新型的鋁-石墨烯電池。這種電池壽命超長，能在極短時間內充滿電，在零下40攝氏度到120度的溫度范圍內都能正常工作。這項創(chuàng)新為鋁離子電池的實用化指出了重要方向。
相比現在廣泛使用的鋰電池，鋁離子電池是一種在許多方面都更加優(yōu)秀的新型電池，關鍵是找到合適的正極材料。浙大高分子系高超教授課題組選擇石墨烯材料，以創(chuàng)新工藝制備成獨特的石墨烯膜作為正極材料，大大提升了鋁離子電池的整體性能，與現在主流的鋰電池和超級電容器相抗衡的遠景十分看好。相關論文日前發(fā)表于國際著名期刊《科學進展》（science advances），論文第一作者為課題組成員陳皓博士。
鋰電池的一些明顯缺點，每個使用智能手機的人都能感受到。比如電池壽命有限，很多手機讓消費者感到電池不耐用，在使用一兩年后，滿格電池的續(xù)航能力大打折扣。又如在低溫、高溫條件下電池效能不穩(wěn)定。有的手機在東北寒冷環(huán)境中瞬間關機，有的在充電時突然爆炸，都是因為鋰電池正常工作的溫度范圍有限。
相比之下，高超教授課題組研發(fā)的鋁-石墨烯電池展現出明顯優(yōu)勢！半姵氐谋入娙萘浚憩F出來就是其續(xù)航能力。一般電池隨著反復充放電，比電容量會不斷降低，這就是我們說的‘不耐用’！闭撐牡诙髡、課題組成員徐涵彥說，“鋁-石墨烯電池在這一點上則表現優(yōu)異。把一次充電—放電作為一次循環(huán)，這種電池經歷25萬次循環(huán)，比電容量仍高達91%，幾乎沒有損失。”也就是說，如果智能手機用上這種電池，每天哪怕充電10次，也能用上近70年。
這種鋁-石墨烯電池的倍率性能也非常優(yōu)異，表現為在大電流下可以快速充電，同時保持較高的比電容量。“現在一些智能手機也有快充功能，看似電池很快充滿了，實際續(xù)航時間并不長。”高超說，而這種新型電池現在的實驗室數據是1.1秒就能充滿電，比電容量損失輕微！拔磥砣绻玫绞謾C上，充電5秒鐘通話2小時是完全可能的！
鋁-石墨烯電池點亮了印有"ZJU120"的LED燈串
鋁-石墨烯電池表現出來的倍率性能高、循環(huán)壽命長等特性，和現在用于汽車快速啟動等場合的超級電容器十分相似。而鋁-石墨烯電池的能量密度更高，也就是說可以做得更小、更輕，而提供能量不變。
總的來看，鋰電池小巧輕便、提供的能量多，但經不起反復充電、快充表現不佳；超級電容器則相反，粗大笨重。兩者目前往往是互相配合使用！鋁-石墨烯電池在倍率性能、循環(huán)壽命上不輸超級電容器，遠超鋰電池。在能量密度上雖和鋰電池尚有差距，但明顯超過超級電容器！备叱淌谡f，面對鋰電池和超級電容器這兩個對手，鋁-石墨烯電池分別表現出了特定的優(yōu)勢，可以稱為“超級電池”。
高溫下電池也不會燃燒
鋁-石墨烯電池還有一些其他電池無可匹敵的特性。低溫至零下40度，鋁-石墨烯電池仍能穩(wěn)定充放電1000次，高溫至100度，穩(wěn)定充放電4萬5千次，即使電芯暴露于火焰中時也不會起火或爆炸。這一寬溫度使用范圍為將來鋁離子電池在極端溫度條件下的使用打下了基礎。這種電池還有很好的柔性，在10,000次彎折后容量完全保持，展現出在可穿戴柔性電子器件中的應用潛力。
“超級電池”的優(yōu)異性能，源于作為正極材料的石墨烯膜優(yōu)異的微觀結構及其表現出的宏觀效能。電池的許多重要性能的優(yōu)異，取決于電子和離子能夠多大程度上順暢地在正負極之間流動。相比其他的正極材料，高超教授課題組制備的石墨烯膜高質量無晶格缺陷、高度取向、擁有連續(xù)孔道，就像四通八達的高速公路，讓電子和離子暢行無阻。
在鋁離子電池研究領域，美國斯坦福大學的戴宏杰教授做出了開創(chuàng)性工作，首先實現了比容量較高且可長循環(huán)的鋁離子電池。中國科技大學余彥教授實現了超快長循環(huán)鈉離子電池。高超團隊帶來的進步，使鋁電池在高功率能量存儲系統(tǒng)方面的應用前景更加光明。高超教授表示，也要看到目前的正極比容量、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競爭，今后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(yè)前景將更寬廣。
論文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/advances/3/12/eaao7233.full.pdf
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