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浙大研发成功新材料超级电池

“充电5秒钟通话2小时”不再是神话
来源:浙江在线 作者:金英磊 2017-12-26 14:18:50
  刚刚过完冬至,口袋里的手机又到了“冻不冻”就黑屏关机的时刻。除了在低温、高温条件下电池效能不稳定,在使用一两年后,电池的续航能力也大打折扣。不过在不久的将来,这些问题也许都将被解决。

  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。这种电池是柔性的,将它弯折一万次后,容量完全保持。它可以在零下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,哪怕电芯暴露于火焰中时也不会起火或爆炸。更让人欣慰的是,这款超级电池号称充电速度超快,据实验数据显示,充满电只需要1.1秒。“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。”

  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。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。

  铝离子电池是一种优秀的新型电池,其实用化的关键是找到合适的正极材料。浙大高分子系高超教授课题组选择石墨烯这一神奇材料,以创新工艺制备成独特的石墨烯膜作为正极材料,大大提升了铝离子电池的整体性能,与现在主流的锂电池和超级电容器相抗衡的远景十分看好。12月15日,相关论文发表于国际著名期刊《科学进展》。

  “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。

  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。

  研发团队表示,“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。”该石墨烯电池正极材料采用“三高三连续”设计原则,拥有连续孔道,就像四通八达的高速公路,让尽可能多的电子和离子畅通地奔跑,或者快速‘归位’。

  “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。

  【商业化仍有挑战】

  高超课题组的新型电池给我们展示了美好的前景:比如,手机充电数秒就完成,在极寒和高温环境中能自如工作,不用担心电池爆炸,不用担心电池老化。但是,高超说,这离真正商业化还有很大的挑战,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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