全天候超快長循環鋁-石墨烯電池來啦[朗讀]

鋁離子電池是一種基於金屬鋁負極、鋁基離子液體電解質和特定正極的新型電池。作為負極的金屬鋁儲量豐富、廉價安全、比容量高。目前鋁離子電池面臨的主要問題在於正極材料的電化學性能不足，導致電池整體的性能仍然無法匹敵傳統的高能量密度鋰離子電池和高功率密度的超級電容器等。
為解決該問題，浙江大學高分子科學與工程學系高超教授團隊設計製備了石墨烯膜正極材料，獲得了具有超高倍率和超長循環性能的鋁-石墨烯電池。
這些優異性能得益於石墨烯正極材料的「三高三連續」設計原則。「三高」指高質量、高取向、高孔道率；「三連續」指連續的導電網絡、連續的離子傳輸通道和連續的離子嵌層通道。通過單層氧化石墨烯溶液的連續濕紡或刮塗工藝，得到了高度取向的氧化石墨烯膜；高溫還原後，得到了高質量無晶格缺陷的石墨烯膜；在高溫還原過程中利用獨特的氣體壓力及「氣囊」現象構築了連續的孔道，實現了高孔道率，有利於電解質的快速浸潤。這種石墨烯膜在微觀結構上具有「三高」特徵，宏觀整體上具有三連續特性，同時在力學強度、導電率及柔性等方面也表現突出，使得所組裝的鋁-石墨烯電池具有超快倍率和超長循環性能。此外，由於原材料廉價易得，製造工藝簡便、連續、可控，產品與傳統工藝相兼容，這種正極材料有望實現規模化生產。
石墨烯正極的比容量達到120mahg-1，在250,000次循環後仍能保持91%的容量；同時其倍率性能優異，在最高400ag-1的電流密度下（3333c,1.1秒內充滿電）仍具有111mahg-1的可逆比容量。該種鋁-石墨烯電池可以在-40到120攝氏度下工作，並在-30攝氏度和100攝氏度下分別實現了1000圈和45,000圈的穩定循環。這一寬溫度使用範圍為將來鋁離子電池在極端溫度條件下的使用打下了基礎。同時，具有較好的柔性和安全性，在10,000次彎折後容量完全保持；即使電芯暴露於火焰中時也不會起火或爆炸，展現出了其在可穿戴柔性電子器件中的應用潛力。這種倍率性能和循環壽命遠遠超過其他電池材料，可實現具有比超級電容器能量密度更高、倍率性能和循環壽命相當的鋁-石墨烯「超級」電池。
這一成果的取得也得益於高超團隊之前的積累和對前人工作的學習借鑑。在鋁-石墨烯電池領域，高超團隊提出了正極石墨烯材料的「無缺陷」設計原理（adv.mater.2016,29,1605958;adv.energymater.2017,7,1700051），發現了鋁負極的枝晶現象及其抑制機理（acsappl.mater.&inter.,2017,9,22628），設計製備了高柔性高導熱石墨烯組裝膜（adv.mater.2017,29,1700589）。在鋁離子電池研究領域，史丹福大學的戴宏傑教授做出了開創性工作，首先實現了比容量較高且可長循環的鋁離子電池（nature,2015,520,324）。早前，中科大余彥教授在研究鈉離子電池時提出了「三連續」的電極材料設計思路（adv.mater.2016,28,2409），實現了超快長循環鈉離子電池。
這些進步使鋁電池在高功率能量存儲系統方面的應用前景更加光明。但也要看到，目前的正極比容量、輸出電壓及面負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，今後還需在保持高功率密度的基礎上進一步提高能量密度。此外，目前經典的離子液體電解質價格較貴，如果可以找到更廉價的電解質，鋁離子電池的商業前景將更寬廣。
此篇工作完成之際恰逢浙江大學120周年校慶，作者們滿懷對母校的感激之情，製作了獨特的樣品展示：讓柔性鋁-石墨烯電池點亮了印有"zju120"的led燈串，用自己的科研成果為母校120周歲慶生。