急著出門辦事，電瓶(ping)車卻還要充很久才滿電；
掏(tao)出手機(ji)(ji)想在冰(bing)天雪地中拍照，手機(ji)(ji)卻自動黑屏關機(ji)(ji)了(le)；
用了(le)兩(liang)年的(de)平板電腦，怎么也充不進電……
這些(xie)生活中的用電尷(gan)尬，科學家們正(zheng)在努力想辦法克服。
近日，浙江大學高超團隊研制出(chu)新型(xing)鋁-石(shi)墨烯(xi)電(dian)池(chi)，短短幾秒便可充電(dian)完成，循環充放25萬(wan)次后依然(ran)電(dian)力(li)十(shi)足，并展現出(chu)耐(nai)熱(re)、抗(kang)凍，反復彎折不影響性能等優異特性，顯示(shi)出(chu)廣泛的(de)應(ying)用前景。
12月(yue)15日，相關論(lun)文Ultrafast all-climate aluminum-graphene battery with quarter-million cycle life發表(biao)于Science Advances，第一作者為(wei)團隊的陳(chen)皓博士。
【耐熱耐凍耐彎折的長(chang)壽電池】
△ 柔(rou)性鋁-石墨烯電池點亮了“ZJU 120”LED燈串
一(yi)片(pian)(pian)片(pian)(pian)泛著金屬光澤(ze)的(de)(de)(de)深灰色薄膜(mo)，就是團隊最新(xin)研發的(de)(de)(de)石墨烯-鋁(lv)電(dian)(dian)池(chi)。它的(de)(de)(de)正(zheng)極是石墨烯薄膜(mo)，負極是金屬鋁(lv)。把兩(liang)片(pian)(pian)電(dian)(dian)池(chi)串聯在(zai)一(yi)起，就能點亮一(yi)組LED燈。經過(guo)測試(shi)，石墨烯正(zheng)極的(de)(de)(de)比(bi)容量達到120mAh/g(毫安時每克)，在(zai)25萬(wan)次充放電(dian)(dian)循環后(hou)仍能保持91%的(de)(de)(de)容量；同時其倍率性(xing)能優(you)異，快速充電(dian)(dian)可(ke)(ke)1.1秒(miao)內(nei)充滿電(dian)(dian)，仍具有111mAh/g的(de)(de)(de)可(ke)(ke)逆比(bi)容量。
課(ke)題(ti)組(zu)的(de)碩(shuo)士生徐晗彥解釋，“比容量(liang)”和(he)“倍率(lv)”是(shi)兩(liang)個(ge)評判電(dian)(dian)(dian)(dian)池性能的(de)關鍵指標，其中(zhong)，比容量(liang)可以理解為單(dan)位質量(liang)或單(dan)位體(ti)積電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)。比容量(liang)越大，儲(chu)電(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)越高。而倍率(lv)則代(dai)表快(kuai)速和(he)正常(chang)兩(liang)種充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)模式下電(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)的(de)差異。一般說來，快(kuai)速充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)充(chong)滿狀態下的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)要低于正常(chang)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)模式下充(chong)滿的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)，兩(liang)個(ge)數(shu)值(zhi)越接近，就說明電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)倍率(lv)性能越好。
△ 電池在冰鹽浴中工作(zuo)
△ 電池在高溫下不燃(ran)燒
同時，這種電(dian)池可以在(zai)(zai)零下40攝氏度到120攝氏度的(de)(de)環(huan)境中工(gong)作，可謂既耐高溫，又抗(kang)嚴寒。在(zai)(zai)零下30攝氏度的(de)(de)環(huan)境中，這種新型(xing)電(dian)池能(neng)實現1000次充放電(dian)性能(neng)不減，而在(zai)(zai)100度的(de)(de)環(huan)境中，它能(neng)實現4.5萬次穩定循環(huan)。這種新型(xing)電(dian)池是柔性的(de)(de)，將(jiang)它彎折一萬次后(hou)，容量完(wan)全保持；而且，即(ji)使電(dian)芯暴(bao)露于火(huo)焰中時也不會起火(huo)或爆炸。
“這種鋁-石墨烯(xi)‘超(chao)級(ji)’電池(chi)，倍率(lv)性能(neng)和循(xun)環(huan)壽(shou)命(ming)遠(yuan)遠(yuan)超(chao)過其他電池(chi)，比超(chao)級(ji)電容器具有更高的能(neng)量密度(du)，相當的倍率(lv)性能(neng)和循(xun)環(huan)壽(shou)命(ming)。”高超(chao)說。
【鋁電池體(ti)系邁出(chu)一大步】
鋁(lv)是(shi)地殼中含(han)量最豐富的(de)金屬元素，廉價安全(quan)，在電(dian)池(chi)(chi)(chi)制備中是(shi)一種理想的(de)負極材料(liao)。但是(shi)多年來，鋁(lv)電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)整(zheng)體性(xing)能(neng)(neng)仍然比(bi)不上鋰離子電(dian)池(chi)(chi)(chi)和超級電(dian)容(rong)器。關鍵問題是(shi)要設計(ji)出(chu)能(neng)(neng)與鋁(lv)匹配、高效工作的(de)正(zheng)極材料(liao)，才(cai)能(neng)(neng)真正(zheng)發(fa)揮(hui)出(chu)色(se)的(de)電(dian)化學(xue)性(xing)能(neng)(neng)。
2015年，斯坦福大學的(de)戴宏杰課題(ti)組在Nature發表工作，采用高(gao)溫裂解(jie)石(shi)(shi)墨(mo)泡沫來制作正極(ji)，首次實現了比(bi)容量較高(gao)且可長循環的(de)鋁離子電(dian)池。高(gao)超(chao)課題(ti)組受此啟發，嘗試用石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)膜來制作鋁電(dian)池的(de)電(dian)極(ji)。
經過一年半摸索(suo)和積(ji)累，高超團隊提出(chu)了石墨烯正極材料的“三高三連續”設計(ji)原則。
“電(dian)池的(de)性(xing)能(neng)(neng)，關(guan)鍵取決于電(dian)子(zi)和離(li)子(zi)在正(zheng)極和負極之(zhi)間‘奔跑(pao)’的(de)狀態。”高超(chao)說，電(dian)極材料要讓(rang)盡可能(neng)(neng)多的(de)電(dian)子(zi)和離(li)子(zi)暢通(tong)地奔跑(pao)，或者快速‘歸位’。如果路不夠多或者道(dao)路擁擠，性(xing)能(neng)(neng)就會受到影響。“三高”指微(wei)觀結(jie)構(gou)的(de)高質量、高取向、高孔(kong)道(dao)率；“三連(lian)(lian)(lian)續(xu)”指宏觀結(jie)構(gou)上有(you)連(lian)(lian)(lian)續(xu)的(de)導(dao)電(dian)網絡(luo)、連(lian)(lian)(lian)續(xu)的(de)離(li)子(zi)傳輸通(tong)道(dao)和連(lian)(lian)(lian)續(xu)的(de)離(li)子(zi)嵌層通(tong)道(dao)。
這一設計(ji)原(yuan)則讓鋁-石墨烯電池的性能向(xiang)前邁出一大(da)步。之前，鋁電池的比容量一直(zhi)在(zai)60mAh/g左右徘徊，可(ke)反復充放電次數(shu)也在(zai)數(shu)千次以內。
【商業化仍有挑戰】
高超課題組的(de)(de)新型電池(chi)給我(wo)們(men)展示了(le)美(mei)好的(de)(de)前景：比如，手機充(chong)電數(shu)秒就完成，在極寒和(he)高溫環境中(zhong)能(neng)自如工作，不用擔(dan)心電池(chi)爆炸(zha)，不用擔(dan)心電池(chi)老化。但是(shi)，高超說，這離真(zhen)正商業(ye)化還有(you)很大的(de)(de)挑戰，需要更多科學家的(de)(de)努力和(he)投入才能(neng)實現。
高超說，目前(qian)的(de)(de)正極比容量(liang)、輸出(chu)電(dian)壓及面負載量(liang)還有較大的(de)(de)提(ti)升空間，能量(liang)密(mi)度(du)(du)不(bu)足(zu)以與鋰離子(zi)電(dian)池相匹敵，今后還需(xu)在保(bao)持高功率密(mi)度(du)(du)的(de)(de)基礎(chu)上進(jin)一步提(ti)高能量(liang)密(mi)度(du)(du)。此外(wai)，目前(qian)經典的(de)(de)離子(zi)液體(ti)電(dian)解(jie)質價格(ge)較貴，如(ru)果可以找到更廉價的(de)(de)電(dian)解(jie)質，鋁離子(zi)電(dian)池的(de)(de)商業前(qian)景(jing)將更寬廣。
