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项目名称:铝-石墨烯电池

申报单位:浙江大学高分子科学与工程学系  负责人:高超

项目简介

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让世界更美丽,人类更健康,未来可持续,需要发展清洁可再生能源和高效储能系统。目前使用的锂离子和铅酸电池储能体系具有资源少、不安全、寿命短、毒性大、污染重等问题,迫切需要探寻新电池技术。最近发展起来的长寿命铝离子电池,以三电子金属铝为负极,具有资源丰富、负极比容量高、安全无毒等优势,但存在正极比容量低、电池能量密度不高、工作机理不明等问题。为此,本项目提出铝-石墨烯超级电池概念,构建石墨烯宏观组装膜高性能正极,创立“三高三连续”和“无缺陷”正极设计原则,发现负极枝晶现象及抑制机理,实现了超长循环寿命、超高倍率性、超宽工作温度区间、安全且耐弯折等优异综合性能,为铝离子电池的科学研究和实际应用奠定了坚实基础。通过提高插层阶数,使石墨烯膜正极的比容量达到120 mAh g-1,较前人报道的稳定纪录提高80%;在250,000次充放电循环后仍能保持91%的比容量,这一循环寿命是传统电池的100-1000倍,按每天充放电6次计算,可以使用100年。电池的倍率性能优异,在最高400Ag-1 的电流密度下(3333 C, 1.1秒内充满电)仍具有111mAh g-1的可逆比容量。电池可在-40到120摄氏度下工作,为极端环境下的储能及动力电源应用打下了基础。成果发表于Science Advances, Advanced Materials等期刊,受到国内外媒体广泛关注。

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科学解读

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急着出门办事,电瓶车却还要充很久才满电;掏出手机想在冰天雪地中拍照,手机却自动黑屏关机了;用了两年的平板电脑,怎么也充不进电……这些生活中的用电尴尬,科学家们正在努力想办法克服。

近日,浙江大学高分子科学与工程学系高超团队研制出新型铝-石墨烯电池,短短几秒便可充电完成,循环充放25万次后依然电力十足,并展现出耐热、抗冻,反复弯折不影响性能等优异特性,显示出广泛的应用前景。

12月15日,相关论文Ultrafast all-climate aluminum-graphene battery with quarter-million cycle life发表于Science Advances,第一作者为团队的陈皓博士。

耐热耐冻耐弯折的“长寿”电池

图:柔性铝-石墨烯电池点亮了“ZJU 120”LED灯串

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。

课题组的硕士生徐晗彦解释,“比容量”和“倍率”是两个评判电池性能的关键指标,其中,比容量可以理解为单位质量或单位体积电池的电量。比容量越大,储电量越高。而倍率则代表快速和正常两种充电模式下电量的差异。一般说来,快速充电充满状态下的电量要低于正常充电模式下充满的电量,两个数值越接近,就说明电池的倍率性能越好.

左图:电池在冰盐浴中工作;右图:电池在高温下不燃烧

同时,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时也不会起火或爆炸。

“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。


图:“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

高超课题组的新型电池给我们展示了美好的前景:比如,手机充电数秒就完成,在极寒和高温环境中能自如工作,不用担心电池爆炸,不用担心电池老化。但是,高超说,这离真正商业化还有很大的挑战,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。

 

论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/3/12/eaao7233

课题组链接:http://polymer.zju.edu.cn/gc/index.php

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项目团队

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负责人高超为浙江大学求是特聘教授、博士生导师、高分子科学研究所所长,浙江省科协第十届委员会委员、常委。在Nat. Commun.,Adv. Mater.,Acc. Chem. Res.等期刊发表SCI论文180余篇,他引10000余次,已授权中国发明专利42项。担任Nano-Micro Lett.、《中国科学:化学》、《科技导报》等期刊编委;入选第二批国家“万人计划”科技创新领军人才、国家杰出青年科学基金获得者、“浙江省151人才工程”第一层次培养人员;获得“QIAN Baojun Fiber Award, Young Scholar”、“Gold Kangaroo World Innovation Award”、“2017年度纺织优秀博士学位论文奖”指导教师等荣誉。
团队拥有教授1名,“百人计划”特聘研究员1名,副教授1名,科研助理2名,博士后10名,博士生12名,硕士生5名。团队聚焦石墨烯,建有组装 (A. Lab)、复合(C. Lab)、能源(E. Lab) 3个实验室,正奋力创建世界一流团队。

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  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-20
    1
    评论内容:很赞,希望能尽早普及,造福人类
  • 评论人:潘显罡 评论时间:2018-04-19
    0
    评论内容:加油
  • 评论人:任科峰 评论时间:2018-04-18
    0
    评论内容:大赞,好牛,很有产业化的前景呀!!!
  • 评论人:傅智盛 评论时间:2018-04-18
    2
    评论内容:大大的赞!
  • 评论人:杨红梅 评论时间:2018-04-18
    0
    评论内容:高、超
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-17
    0
    评论内容:支持,赞👍🏻👍🏻👍🏻
  • 评论人:刘湾 评论时间:2018-04-17
    0
    评论内容:优秀成果值得点赞
  • 评论人:伍广朋 评论时间:2018-04-17
    0
    评论内容:原创性!突破性!高水平!未来可期!
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-17
    0
    评论内容:好
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-17
    0
    评论内容:太棒了,看好这个项目
  • 评论人:刘文明 评论时间:2018-04-17
    0
    评论内容:看好高超教授团队,铝和石墨烯电池将成为能源领域的一个重大突破。