电池在高温下不燃烧耐热耐冻耐弯折的“长寿”电池你知道它是谁吗？
来源：宝鄂实业
2019-04-16 08:50
点击量：次
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。这种新型电池是柔性的，将它弯折一万次后，容量完全保持；而且，即使电芯暴露于火焰中也不会起火或爆炸。12月15日，相关论文Ultrafastall-climatealuminum-graphenebatterywithquarter-millioncyclelife发表于ScienceAdvances，第一作者为团队的陈皓博士。
电池在高温下不燃烧耐热耐冻耐弯折的“长寿”电池
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。把两片电池串联在一起，就能点亮一组LED灯。经过测试，石墨烯正极的比容量达到120mAh/g（毫安时每克），在25万次充放电循环后仍能保持91%的容量；同时其倍率性能优异，快速充电可1.1秒内充满电，仍具有111mAh/g的可逆比容量。
铝-石墨烯电池点亮了印有“ZJU120”的LED灯串相比于锂电池，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。
“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。
铝电池体系迈出一大步铝是地壳中含量最丰富的金属元素，廉价安全，在电池制备中是一种理想的负极材料。但是多年来，铝电池的整体性能仍然比不上锂离子电池和超级电容器。关键问题是要设计出能与铝匹配、高效工作的正极材料，才能真正发挥出色的电化学性能。
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。
“三高三连续”设计原则“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。”高超说，电极材料要让尽可能多的电子和离子畅通地奔跑，或者快速‘归位’。如果路不够多或者道路拥挤，性能就会受到影响。“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。
这一设计原则让铝—石墨烯电池的性能向前迈出一大步。之前，铝电池的比容量一直在60mAh/g左右徘徊，可反复充放电次数也在数千次以内。
商业化仍有挑战
“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。
这表明，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。但是，高超说，距离真正商业化还面临很大的挑战，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。
铝离子电池的负极材料为铝(Aluminum)、正极材料为石墨(grapgite)，工作原理是藉由电池内部负极铝离子往返正极石墨材料之间的反应产生电能，电解液使用具不可燃性质的离子液体。
正极材料为3D的石墨泡沫(graphitic-foam)型态，且厚度很薄(~17μm)能维持整体的可挠性，此结构具有足够且均匀的孔隙利于离子通过，并加快铝离子在正负极之间往来的速度，提升反应速率、降低电池内阻，此正极材料正是使铝离子电池能追上锂离子电池的重要因素。
铝离子电池的循环寿命7,500次远高于锂离子电池的1,000次、每个铝离子携带电荷是锂离子的三倍、铝材料较锂材料便宜、铝箔可挠等。
电池表现出约100mAh╱g的可逆容量和200次充放电循环后的88％的容量保持率。铝-石墨电池包估计在功率密度1,200W╱kg可达150Wh╱kg的能量密度，这比大多数商业锂离子电池高约50％。
铝电池的优点：
1)快速：充电只要一分钟；
2)耐久：可充放电一万次，远超过锂电池的一千次；
3)安全：可凹折，稳定，将铝电池钻透，不但未着火，还能运作。
而铝电池的缺点：
1)电压：铝电池电压约2伏特，比智能手机锂电池普遍电压为3.7伏特或4伏特低；
2)体积：电池体积尚无法比锂电池小，目前无法取代手机电池。
台湾工研院预计2018年量产上市，该团队期望今年能完成供电200瓦的电池，提供再生能源与大型储能装置使用潜力。 截至目前,仅有少数车企开展了相关布局。相对于即将进入市场的报废动力电池总量来说,仍然是“杯水车薪”,总体而言,回收主体还处于缺位状态。因而,不论是市场规模还是处理技术都需要时间来完善。但业界一种普遍的观点是,控制退役电池的品质和安全是梯次利用技术的难点,必须研发相关检测技术和设备,才能准确判断退役电池能否进入梯次利用市场,并确定应用场景。
电池在高温下不燃烧耐热耐冻耐弯折的“长寿”电池
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。把两片电池串联在一起，就能点亮一组LED灯。经过测试，石墨烯正极的比容量达到120mAh/g（毫安时每克），在25万次充放电循环后仍能保持91%的容量；同时其倍率性能优异，快速充电可1.1秒内充满电，仍具有111mAh/g的可逆比容量。
铝-石墨烯电池点亮了印有“ZJU120”的LED灯串相比于锂电池，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。
“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。
铝电池体系迈出一大步铝是地壳中含量最丰富的金属元素，廉价安全，在电池制备中是一种理想的负极材料。但是多年来，铝电池的整体性能仍然比不上锂离子电池和超级电容器。关键问题是要设计出能与铝匹配、高效工作的正极材料，才能真正发挥出色的电化学性能。
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。
“三高三连续”设计原则“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。”高超说，电极材料要让尽可能多的电子和离子畅通地奔跑，或者快速‘归位’。如果路不够多或者道路拥挤，性能就会受到影响。“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。
这一设计原则让铝—石墨烯电池的性能向前迈出一大步。之前，铝电池的比容量一直在60mAh/g左右徘徊，可反复充放电次数也在数千次以内。
商业化仍有挑战
“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。
这表明，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。但是，高超说，距离真正商业化还面临很大的挑战，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。
铝离子电池的负极材料为铝(Aluminum)、正极材料为石墨(grapgite)，工作原理是藉由电池内部负极铝离子往返正极石墨材料之间的反应产生电能，电解液使用具不可燃性质的离子液体。
正极材料为3D的石墨泡沫(graphitic-foam)型态，且厚度很薄(~17μm)能维持整体的可挠性，此结构具有足够且均匀的孔隙利于离子通过，并加快铝离子在正负极之间往来的速度，提升反应速率、降低电池内阻，此正极材料正是使铝离子电池能追上锂离子电池的重要因素。
铝离子电池的循环寿命7,500次远高于锂离子电池的1,000次、每个铝离子携带电荷是锂离子的三倍、铝材料较锂材料便宜、铝箔可挠等。
电池表现出约100mAh╱g的可逆容量和200次充放电循环后的88％的容量保持率。铝-石墨电池包估计在功率密度1,200W╱kg可达150Wh╱kg的能量密度，这比大多数商业锂离子电池高约50％。
铝电池的优点：
1)快速：充电只要一分钟；
2)耐久：可充放电一万次，远超过锂电池的一千次；
3)安全：可凹折，稳定，将铝电池钻透，不但未着火，还能运作。
而铝电池的缺点：
1)电压：铝电池电压约2伏特，比智能手机锂电池普遍电压为3.7伏特或4伏特低；
2)体积：电池体积尚无法比锂电池小，目前无法取代手机电池。
台湾工研院预计2018年量产上市，该团队期望今年能完成供电200瓦的电池，提供再生能源与大型储能装置使用潜力。 截至目前,仅有少数车企开展了相关布局。相对于即将进入市场的报废动力电池总量来说,仍然是“杯水车薪”,总体而言,回收主体还处于缺位状态。因而,不论是市场规模还是处理技术都需要时间来完善。但业界一种普遍的观点是,控制退役电池的品质和安全是梯次利用技术的难点,必须研发相关检测技术和设备,才能准确判断退役电池能否进入梯次利用市场,并确定应用场景。
