急著出門辦事，電瓶車卻還要充很久才滿電；掏出手機(jī)想在冰天雪地中拍照，手機(jī)卻自動(dòng)關(guān)機(jī)了；用了兩年的平板電腦，怎么也充不進(jìn)電……這些生活中的用電尷尬，科學(xué)家們正在努力想辦法克服。
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)研制出新型鋁—石墨烯電池，短短幾秒便可充電完成，循環(huán)充放25萬(wàn)次后依然電力十足，并展現(xiàn)出耐熱、抗凍、反復(fù)彎折不影響性能等優(yōu)異特性，顯示出廣泛的應(yīng)用前景。12月15日，相關(guān)論文Ultrafast all-climate aluminum-graphene battery with quarter-million cycle life發(fā)表于Science Advances，第一作者為團(tuán)隊(duì)的陳皓博士。
耐熱耐凍耐彎折的“長(zhǎng)壽”電池
圖：柔性鋁—石墨烯電池點(diǎn)亮了“ZJU 120”LED燈串
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。
課題組的碩士生徐晗彥解釋，“比容量”和“倍率”是兩個(gè)評(píng)判電池性能的關(guān)鍵指標(biāo)，其中，比容量可以理解為單位質(zhì)量或單位體積電池的電量。比容量越大，儲(chǔ)電量越高。而倍率則代表快速和正常兩種充電模式下電量的差異。一般說(shuō)來(lái)，快速充電充滿狀態(tài)下的電量要低于正常充電模式下充滿的電量，兩個(gè)數(shù)值越接近，就說(shuō)明電池的倍率性能越好。
左圖：電池在冰鹽浴中工作；右圖：電池在高溫下不燃燒
同時(shí)，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。
“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?！备叱f(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。
圖：“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)?！备叱f(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?！叭摺敝肝⒂^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)
高超課題組的新型電池給我們展示了美好的前景：比如，手機(jī)充電數(shù)秒就完成，在極寒和高溫環(huán)境中能自如工作，不用擔(dān)心電池爆炸，不用擔(dān)心電池老化。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。
（文 周煒 朱原之／圖片 課題組）
論文鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/3/12/eaao7233
課題組鏈接：http://polymer.zju.edu.cn/gc/index.php
