鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：2408次 | 2021年10月28日
浙大研制出新型鋁-石墨烯超級(jí)電池 充電5秒通話2小時(shí)不是夢(mèng)
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)4.5萬次穩(wěn)定循環(huán)。這種新型電池是柔性的，將它彎折一萬次后，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。
十二月十五日，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。
耐熱耐凍耐彎折的“長壽”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。
相比于鋰離子電池，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，這就是俗話說的‘不耐用’。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
但這塊長相“毫不起眼”的鋁-石墨烯電池在這一點(diǎn)上則表現(xiàn)優(yōu)異。假如把一次充電—放電作為一次循環(huán)，這種電池經(jīng)歷25萬次循環(huán)，比電容量仍高達(dá)91%，幾乎沒有損失。
也就是說，假如智能手機(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。
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，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。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
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制作正極，首次實(shí)現(xiàn)了比容量較高且可長循環(huán)的鋁離子電池。高超課題組受此啟發(fā)，嘗試用石墨烯膜來制作鋁電池的電極。
經(jīng)過一年半摸索和積累，高超團(tuán)隊(duì)提出了石墨烯正極材料的“三高三持續(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，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’。假如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；“三持續(xù)”指宏觀結(jié)構(gòu)上有持續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、持續(xù)的離子傳輸通道和持續(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。”高超說，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，未來假如用到手機(jī)上，充電5秒鐘通話2小時(shí)是完全可能的。但是，高超說，距離真正商業(yè)化還面對(duì)很大的挑戰(zhàn)，要更多科學(xué)家的努力和投入才能實(shí)現(xiàn)。
高超說，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，假如可以找到更廉價(jià)的電解質(zhì)，鋁離子電池的商業(yè)前景將更寬廣。
來源：浙江大學(xué)官方微信作者：周煒朱原之
