電池在高溫下不燃燒耐熱耐凍耐彎折的“長(zhǎng)壽”電池你知道它是誰(shuí)嗎？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-16 08:50
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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(wàn)次穩(wěn)定循環(huán)。這種新型電池是柔性的，將它彎折一萬(wàn)次后，容量完全保持；而且，即使電芯暴露于火焰中也不會(huì)起火或爆炸。12月15日，相關(guān)論文Ultrafastall-climatealuminum-graphenebatterywithquarter-millioncyclelife發(fā)表于ScienceAdvances，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(zhǎng)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(guò)測(cè)試，石墨烯正極的比容量達(dá)到120mAh/g（毫安時(shí)每克），在25萬(wàn)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(shì)：一般電池隨著反復(fù)充放電，比電容量會(huì)不斷降低，這就是俗話說(shuō)的‘不耐用’。
但這塊長(zhǎng)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(wàn)次循環(huán)，比電容量仍高達(dá)91%，幾乎沒(méi)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(jí)’電池，倍率性能和循環(huán)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他電池，比超級(jí)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(shuō)。
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(lái)，鋁電池的整體性能仍然比不上鋰離子電池和超級(jí)電容器。關(guān)鍵問(wèn)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(lái)制作正極，首次實(shí)現(xiàn)了比容量較高且可長(zhǎng)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(lái)制作鋁電池的電極。
經(jīng)過(guò)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(shuō)，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(huì)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。
這一設(shè)計(jì)原則讓鋁—石墨烯電池的性能向前邁出一大步。之前，鋁電池的比容量一直在60mAh/g左右徘徊，可反復(fù)充放電次數(shù)也在數(shù)千次以內(nèi)。
商業(yè)化仍有挑戰(zhàn)
“現(xiàn)在一些智能手機(jī)也有快充功能，看似電池很快充滿了，實(shí)際續(xù)航時(shí)間并不長(zhǎng)。”高超說(shuō)，而這種新型電池現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)是1.1秒就能充滿電，比電容量損失輕微。
這表明，未來(lái)如果用到手機(jī)上，充電5秒鐘通話2小時(shí)是完全可能的。但是，高超說(shuō)，距離真正商業(yè)化還面臨很大的挑戰(zhàn)，需要更多科學(xué)家的努力和投入才能實(shí)現(xiàn)。
高超說(shuō)，目前的正極比容量、輸出電壓及面負(fù)載量還有較大的提升空間，能量密度不足以與鋰離子電池相匹敵，今后還需在保持高功率密度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高能量密度。此外，目前經(jīng)典的離子液體電解質(zhì)價(jià)格較貴，如果可以找到更廉價(jià)的電解質(zhì)，鋁離子電池的商業(yè)前景將更寬廣。
鋁離子電池的負(fù)極材料為鋁(Aluminum)、正極材料為石墨(grapgite)，工作原理是藉由電池內(nèi)部負(fù)極鋁離子往返正極石墨材料之間的反應(yīng)產(chǎn)生電能，電解液使用具不可燃性質(zhì)的離子液體。
正極材料為3D的石墨泡沫(graphitic-foam)型態(tài)，且厚度很薄(~17μm)能維持整體的可撓性，此結(jié)構(gòu)具有足夠且均勻的孔隙利于離子通過(guò)，并加快鋁離子在正負(fù)極之間往來(lái)的速度，提升反應(yīng)速率、降低電池內(nèi)阻，此正極材料正是使鋁離子電池能追上鋰離子電池的重要因素。
鋁離子電池的循環(huán)壽命7,500次遠(yuǎn)高于鋰離子電池的1,000次、每個(gè)鋁離子攜帶電荷是鋰離子的三倍、鋁材料較鋰材料便宜、鋁箔可撓等。
電池表現(xiàn)出約100mAh╱g的可逆容量和200次充放電循環(huán)后的88％的容量保持率。鋁-石墨電池包估計(jì)在功率密度1,200W╱kg可達(dá)150Wh╱kg的能量密度，這比大多數(shù)商業(yè)鋰離子電池高約50％。
鋁電池的優(yōu)點(diǎn)：
1)快速：充電只要一分鐘；
2)耐久：可充放電一萬(wàn)次，遠(yuǎn)超過(guò)鋰電池的一千次；
3)安全：可凹折，穩(wěn)定，將鋁電池鉆透，不但未著火，還能運(yùn)作。
而鋁電池的缺點(diǎn)：
1)電壓：鋁電池電壓約2伏特，比智能手機(jī)鋰電池普遍電壓為3.7伏特或4伏特低；
2)體積：電池體積尚無(wú)法比鋰電池小，目前無(wú)法取代手機(jī)電池。
臺(tái)灣工研院預(yù)計(jì)2018年量產(chǎn)上市，該團(tuán)隊(duì)期望今年能完成供電200瓦的電池，提供再生能源與大型儲(chǔ)能裝置使用潛力。 截至目前,僅有少數(shù)車(chē)企開(kāi)展了相關(guān)布局。相對(duì)于即將進(jìn)入市場(chǎng)的報(bào)廢動(dòng)力電池總量來(lái)說(shuō),仍然是“杯水車(chē)薪”,總體而言,回收主體還處于缺位狀態(tài)。因而,不論是市場(chǎng)規(guī)模還是處理技術(shù)都需要時(shí)間來(lái)完善。但業(yè)界一種普遍的觀點(diǎn)是,控制退役電池的品質(zhì)和安全是梯次利用技術(shù)的難點(diǎn),必須研發(fā)相關(guān)檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備,才能準(zhǔn)確判斷退役電池能否進(jìn)入梯次利用市場(chǎng),并確定應(yīng)用場(chǎng)景。
電池在高溫下不燃燒耐熱耐凍耐彎折的“長(zhǎng)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(guò)測(cè)試，石墨烯正極的比容量達(dá)到120mAh/g（毫安時(shí)每克），在25萬(wàn)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(shì)：一般電池隨著反復(fù)充放電，比電容量會(huì)不斷降低，這就是俗話說(shuō)的‘不耐用’。
但這塊長(zhǎng)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(wàn)次循環(huán)，比電容量仍高達(dá)91%，幾乎沒(méi)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(jí)’電池，倍率性能和循環(huán)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他電池，比超級(jí)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(shuō)。
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(lái)，鋁電池的整體性能仍然比不上鋰離子電池和超級(jí)電容器。關(guān)鍵問(wèn)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(lái)制作正極，首次實(shí)現(xiàn)了比容量較高且可長(zhǎng)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(lái)制作鋁電池的電極。
經(jīng)過(guò)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(shuō)，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(huì)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。
這一設(shè)計(jì)原則讓鋁—石墨烯電池的性能向前邁出一大步。之前，鋁電池的比容量一直在60mAh/g左右徘徊，可反復(fù)充放電次數(shù)也在數(shù)千次以內(nèi)。
商業(yè)化仍有挑戰(zhàn)
“現(xiàn)在一些智能手機(jī)也有快充功能，看似電池很快充滿了，實(shí)際續(xù)航時(shí)間并不長(zhǎng)。”高超說(shuō)，而這種新型電池現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)是1.1秒就能充滿電，比電容量損失輕微。
這表明，未來(lái)如果用到手機(jī)上，充電5秒鐘通話2小時(shí)是完全可能的。但是，高超說(shuō)，距離真正商業(yè)化還面臨很大的挑戰(zhàn)，需要更多科學(xué)家的努力和投入才能實(shí)現(xiàn)。
高超說(shuō)，目前的正極比容量、輸出電壓及面負(fù)載量還有較大的提升空間，能量密度不足以與鋰離子電池相匹敵，今后還需在保持高功率密度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高能量密度。此外，目前經(jīng)典的離子液體電解質(zhì)價(jià)格較貴，如果可以找到更廉價(jià)的電解質(zhì)，鋁離子電池的商業(yè)前景將更寬廣。
鋁離子電池的負(fù)極材料為鋁(Aluminum)、正極材料為石墨(grapgite)，工作原理是藉由電池內(nèi)部負(fù)極鋁離子往返正極石墨材料之間的反應(yīng)產(chǎn)生電能，電解液使用具不可燃性質(zhì)的離子液體。
正極材料為3D的石墨泡沫(graphitic-foam)型態(tài)，且厚度很薄(~17μm)能維持整體的可撓性，此結(jié)構(gòu)具有足夠且均勻的孔隙利于離子通過(guò)，并加快鋁離子在正負(fù)極之間往來(lái)的速度，提升反應(yīng)速率、降低電池內(nèi)阻，此正極材料正是使鋁離子電池能追上鋰離子電池的重要因素。
鋁離子電池的循環(huán)壽命7,500次遠(yuǎn)高于鋰離子電池的1,000次、每個(gè)鋁離子攜帶電荷是鋰離子的三倍、鋁材料較鋰材料便宜、鋁箔可撓等。
電池表現(xiàn)出約100mAh╱g的可逆容量和200次充放電循環(huán)后的88％的容量保持率。鋁-石墨電池包估計(jì)在功率密度1,200W╱kg可達(dá)150Wh╱kg的能量密度，這比大多數(shù)商業(yè)鋰離子電池高約50％。
鋁電池的優(yōu)點(diǎn)：
1)快速：充電只要一分鐘；
2)耐久：可充放電一萬(wàn)次，遠(yuǎn)超過(guò)鋰電池的一千次；
3)安全：可凹折，穩(wěn)定，將鋁電池鉆透，不但未著火，還能運(yùn)作。
而鋁電池的缺點(diǎn)：
1)電壓：鋁電池電壓約2伏特，比智能手機(jī)鋰電池普遍電壓為3.7伏特或4伏特低；
2)體積：電池體積尚無(wú)法比鋰電池小，目前無(wú)法取代手機(jī)電池。
臺(tái)灣工研院預(yù)計(jì)2018年量產(chǎn)上市，該團(tuán)隊(duì)期望今年能完成供電200瓦的電池，提供再生能源與大型儲(chǔ)能裝置使用潛力。 截至目前,僅有少數(shù)車(chē)企開(kāi)展了相關(guān)布局。相對(duì)于即將進(jìn)入市場(chǎng)的報(bào)廢動(dòng)力電池總量來(lái)說(shuō),仍然是“杯水車(chē)薪”,總體而言,回收主體還處于缺位狀態(tài)。因而,不論是市場(chǎng)規(guī)模還是處理技術(shù)都需要時(shí)間來(lái)完善。但業(yè)界一種普遍的觀點(diǎn)是,控制退役電池的品質(zhì)和安全是梯次利用技術(shù)的難點(diǎn),必須研發(fā)相關(guān)檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備,才能準(zhǔn)確判斷退役電池能否進(jìn)入梯次利用市場(chǎng),并確定應(yīng)用場(chǎng)景。
