浙江大學(xué)科學(xué)家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(nèi)充滿電，在零下40攝氏度到120度的溫度范圍內(nèi)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(xiàn)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，其實用化的關(guān)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這一多次創(chuàng)造全新突破的神奇材料，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(xiàn)在主流的鋰電池和超級電容器相抗衡的遠(yuǎn)景十分看好。相關(guān)論文日前發(fā)表于國際著名期刊《科學(xué)進(jìn)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(guān)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，高超課題組研發(fā)的鋁-石墨烯電池展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。“電池的容量，表現(xiàn)出來就是其續(xù)航能力。一般電池隨著反復(fù)充放電，電容量會不斷降低，這就是我們說的‘不耐用’。”論文第二作者、課題組成員徐晗彥說，“鋁-石墨烯電池在這一點上則表現(xiàn)優(yōu)異。這種電池經(jīng)歷25萬次充電—放電循環(huán)，充放電率仍高達(dá)91%，容量損失很小。”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(xiàn)為在大電流下可以快速充電，同時保持較高的比電容量。“現(xiàn)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(xiàn)在的實驗室數(shù)據(jù)是1.1秒就能充滿電，比電容量損失輕微。“這表明，未來如果用到手機上，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(xiàn)出來的倍率性能高、循環(huán)壽命長等特性，和現(xiàn)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(jīng)不起反復(fù)充電、快充表現(xiàn)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(yuǎn)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。”高超說，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(xiàn)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?zé)o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(chǔ)。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(xiàn)出在可穿戴柔性電子器件中的應(yīng)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(jié)構(gòu)及其表現(xiàn)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(fù)極之間流動。相比其他的正極材料，高超課題組制備的石墨烯膜高質(zhì)量無晶格缺陷、高度取向、擁有連續(xù)孔道，就像四通八達(dá)的高速公路，讓電子和離子暢行無阻。

在鋁離子電池研究領(lǐng)域，美國斯坦福大學(xué)的戴宏杰教授做出了開創(chuàng)性工作，首先實現(xiàn)了比容量較高且可長循環(huán)的鋁離子電池。中國科技大學(xué)余彥教授實現(xiàn)了超快長循環(huán)鈉離子電池。高超團(tuán)隊帶來的進(jìn)步，使鋁電池在高功率能量存儲系統(tǒng)方面的應(yīng)用前景更加光明。高超表示，也要看到目前的正極比容量、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競爭，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)價格較貴，如果可以找到更廉價的電解質(zhì)，鋁離子電池的商業(yè)前景將更寬廣。鋰離子電池中電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生需要電子和鋰離子同時 到達(dá)活性物質(zhì)表面, 因此電子能夠及時參與電化學(xué)反應(yīng)才能實現(xiàn)正極活性物質(zhì)性能的良好發(fā)揮.如果不使用導(dǎo)電劑,電池內(nèi)部歐姆極化增大, 電池容量會顯著降低. 因此, 導(dǎo)電劑同樣也是鋰離子電池中的關(guān)鍵材料, 能夠確?；钚晕镔|(zhì)容量的充分發(fā)揮, 對于鋰離子電池性能提升具有重要作用。

 

另一方面, 由于導(dǎo)電劑本身在充放電過程中并不提供容量, 所以往往希望在確?；钚晕镔|(zhì)容量發(fā)揮的同時盡量減少導(dǎo)電劑的使用量, 以提高正極中活性物質(zhì)的比例, 從而改善電池的質(zhì)量能量密度. 目前所使用的導(dǎo)電劑通常是碳材料, 如導(dǎo)電碳黑、 導(dǎo)電石墨及碳納米管等. 由于這些碳材料相對于活 性物質(zhì)來說密度較低,減少導(dǎo)電劑的使用量能夠顯著提高電池的體積能量密度。