浙大高超教授课题组用石墨烯造出充电极快寿命超长的超级电池

行业动态 加入时间:2017-12-29 10:57:09 访问量:267

浙江大学高超教授课题组用石墨烯膜作为正极材料,研发出一种新型的铝-石墨烯电池。这种电池寿命超长,能在极短时间内充满电,在零下40摄氏度到120度的温度范围内都能正常工作。这项创新为铝离子电池的实用化指出了重要方向。

  相比现在广泛使用的锂电池,铝离子电池是一种在许多方面都更加优秀的新型电池,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。相关论文日前发表于国际著名期刊《科学进展》(science advances),论文第一作者为课题组成员陈皓博士。

  锂电池的一些明显缺点,每个使用智能手机的人都能感受到。比如电池寿命有限,很多手机让消费者感到电池不耐用,在使用一两年后,满格电池的续航能力大打折扣。又如在低温、高温条件下电池效能不稳定。有的手机在东北寒冷环境中瞬间关机,有的在充电时突然爆炸,都是因为锂电池正常工作的温度范围有限。

  相比之下,高超教授课题组研发的铝-石墨烯电池展现出明显优势。“电池的比电容量,表现出来就是其续航能力。一般电池随着反复充放电,比电容量会不断降低,这就是我们说的‘不耐用’。”论文第二作者、课题组成员徐涵彦说,“铝-石墨烯电池在这一点上则表现优异。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。”也就是说,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。

  这种铝-石墨烯电池的倍率性能也非常优异,表现为在大电流下可以快速充电,同时保持较高的比电容量。“现在一些智能手机也有快充功能,看似电池很快充满了,实际续航时间并不长。”高超说,而这种新型电池现在的实验室数据是1.1秒就能充满电,比电容量损失轻微。“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。”

铝-石墨烯电池点亮了印有"ZJU120"的LED灯串

  铝-石墨烯电池表现出来的倍率性能高、循环寿命长等特性,和现在用于汽车快速启动等场合的超级电容器十分相似。而铝-石墨烯电池的能量密度更高,也就是说可以做得更小、更轻,而提供能量不变。

  总的来看,锂电池小巧轻便、提供的能量多,但经不起反复充电、快充表现不佳;超级电容器则相反,粗大笨重。两者目前往往是互相配合使用。“铝-石墨烯电池在倍率性能、循环寿命上不输超级电容器,远超锂电池。在能量密度上虽和锂电池尚有差距,但明显超过超级电容器。”高超教授说,面对锂电池和超级电容器这两个对手,铝-石墨烯电池分别表现出了特定的优势,可以称为“超级电池”。

高温下电池也不会燃烧

  铝-石墨烯电池还有一些其他电池无可匹敌的特性。低温至零下40度,铝-石墨烯电池仍能稳定充放电1000次,高温至100度,稳定充放电4万5千次,即使电芯暴露于火焰中时也不会起火或爆炸。这一宽温度使用范围为将来铝离子电池在极端温度条件下的使用打下了基础。这种电池还有很好的柔性,在10,000次弯折后容量完全保持,展现出在可穿戴柔性电子器件中的应用潜力。

  “超级电池”的优异性能,源于作为正极材料的石墨烯膜优异的微观结构及其表现出的宏观效能。电池的许多重要性能的优异,取决于电子和离子能够多大程度上顺畅地在正负极之间流动。相比其他的正极材料,高超教授课题组制备的石墨烯膜高质量无晶格缺陷、高度取向、拥有连续孔道,就像四通八达的高速公路,让电子和离子畅行无阻。

  在铝离子电池研究领域,美国斯坦福大学的戴宏杰教授做出了开创性工作,首先实现了比容量较高且可长循环的铝离子电池。中国科技大学余彦教授实现了超快长循环钠离子电池。高超团队带来的进步,使铝电池在高功率能量存储系统方面的应用前景更加光明。高超教授表示,也要看到目前的正极比容量、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竞争,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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