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来源:澎湃新闻网    日期:2017-12-25 周一 12:09    目前尚无评论 
浙大研制出新型铝-石墨烯电池 充电5秒通话2小时(3图)
  近日,浙江大学高分子科学与工程学系高超团队研制出的新型铝-石墨烯电池。这
种电池可以在零下40摄氏度到120摄氏度的环境中工作,可谓既耐高温,又抗严寒。在
零下30摄氏度的环境中,这种新型电池能实现1000次充放电性能不减,而在100摄氏度
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也不会起火或爆炸。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。
电池在高温下不燃烧耐热耐冻耐弯折的“长寿”电池
  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。
  铝-石墨烯电池点亮了印有“ZJU120”的LED灯串相比于锂电池,高超课题组研
发的铝-石墨烯电池展现出明显优势:一般电池随着反复充放电,比电容量会不断降
低,这就是俗话说的‘不耐用’。

  但这块长相“毫不起眼”的铝-石墨烯电池在这一点上则表现优异。如果把一次
充电—放电作为一次循环,这种电池经历25万次循环,比电容量仍高达91%,几乎没
有损失。

  如果智能手机用上这种电池,每天哪怕充电10次,也能用上近70年。

  “这种铝—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杂志发表工作,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。
  “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

  “现在一些智能手机也有快充功能,看似电池很快充满了,实际续航时间并不
长。”高超说,而这种新型电池现在的实验室数据是1.1秒就能充满电,比电容量损
失轻微。

  这表明,未来如果用到手机上,充电5秒钟通话2小时是完全可能的。但是,高
超说,距离真正商业化还面临很大的挑战,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。
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