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  浙江大學(xué)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(zhǎng)，能在極短時(shí)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(xiàng)創(chuàng)新為鋁離子電池的實(shí)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，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材料，以創(chuàng)新工藝制備成獨(dú)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(jí)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(guó)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(diǎn)，每個(gè)使用智能手機(jī)的人都能感受到。比如電池壽命有限，很多手機(jī)讓消費(fèi)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(jī)在東北寒冷環(huán)境中瞬間關(guān)機(jī)，有的在充電時(shí)突然爆炸，都是因?yàn)殇囯姵卣９ぷ鞯臏囟确秶邢蕖?

  相比之下，高超教授課題組研發(fā)的鋁-石墨烯電池展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。“電池的比電容量，表現(xiàn)出來(lái)就是其續(xù)航能力。一般電池隨著反復(fù)充放電，比電容量會(huì)不斷降低，這就是我們說(shuō)的‘不耐用’。”論文第二作者、課題組成員徐涵彥說(shuō)，“鋁-石墨烯電池在這一點(diǎn)上則表現(xiàn)優(yōu)異。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。”也就是說(shuō)，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(shí)保持較高的比電容量。“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。“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。”

鋁-石墨烯電池點(diǎn)亮了印有"ZJU120"的LED燈串

  鋁-石墨烯電池表現(xiàn)出來(lái)的倍率性能高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特性，和現(xiàn)在用于汽車快速啟動(dòng)等場(chǎng)合的超級(jí)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(shuō)可以做得更小、更輕，而提供能量不變。

  總的來(lái)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(jí)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(jí)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(guò)超級(jí)電容器。”高超教授說(shuō)，面對(duì)鋰電池和超級(jí)電容器這兩個(gè)對(duì)手，鋁-石墨烯電池分別表現(xiàn)出了特定的優(yōu)勢(shì)，可以稱為“超級(jí)電池”。

高溫下電池也不會(huì)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(wàn)5千次，即使電芯暴露于火焰中時(shí)也不會(huì)起火或爆炸。這一寬溫度使用范圍為將來(lái)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(jí)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(dòng)。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(zhì)量無(wú)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(wú)阻。

  在鋁離子電池研究領(lǐng)域，美國(guó)斯坦福大學(xué)的戴宏杰教授做出了開(kāi)創(chuàng)性工作，首先實(shí)現(xiàn)了比容量較高且可長(zhǎng)循環(huán)的鋁離子電池。中國(guó)科技大學(xué)余彥教授實(shí)現(xiàn)了超快長(zhǎng)循環(huán)鈉離子電池。高超團(tuán)隊(duì)帶來(lái)的進(jìn)步，使鋁電池在高功率能量存儲(chǔ)系統(tǒng)方面的應(yīng)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(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(jìng)爭(zhēng)，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。

  論文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/advances/3/12/eaao7233.full.pdf