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Nature上“一分钟充满电”的超级铝电池是什么原理?

时间: 2015年04月15日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
作为手机党,手机没电或许是最要命的事。现在普通智能手机使用的锂电池充满电需要一小时。但一个小时还是长了些,笔者就常有手机没电却又必须马上出门的惨痛经历。

现在,一项颠覆性的技术眼看就能解决以上烦恼:斯坦福大学的华人化学家戴宏杰的团队刚刚发明出了一种“一分钟充满电”的新型铝离子电池,4月6日在线发表在Nature杂志上(An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery,http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14340.html)。除了充电极为迅速以外,这种电池还有寿命长(充放电7500次后容量仍毫无损失,而现在广泛使用的锂离子电池最多也只能充放电1000次)、可弯曲(怎么弯弯折折都能照常供电)、安全性好(你拿钻孔机把它钻穿也不会发生任何危险事故)等其他优点。

 

铝电池的逆袭

 

铝电池成本低廉、不易燃烧,科学家已经对其进行了数十年研究,但始终无法解决一个严重的问题:它的寿命非常短。正电极和电解液是铝电池软肋,以前的材料无法承受反复的充放电循环——在几百次的充放电之后,铝电池的容量就会严重下降。

 

戴宏杰带领的研究小组正是在这一点上取得了突破。他们发现了一种新型石墨材料——泡沫石墨(graphite foam)。泡沫石墨刚好可以充当电池的正极(负极用铝制成),而电解液则采用一种离子液体——即全由离子组成、室温下呈液态的离子化合物,具体成分为一种有机盐(化学表达式为[EMIm]Cl)与氯化铝的混合物。 

 


新型铝电池的结构简图。图片来源:Lin M C, Gong M, Lu B, et al. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery[J]. Nature, 2015.

 

泡沫石墨:电流的“高速公路”

 

“一分钟充满电”的关键,就在于戴宏杰团队发现的新型正极材料——泡沫石墨。充电过程是一种电化学反应,需要电池中AlCl4-离子时刻不停地与正极进行结合与分离。他们一开始采用一种名叫热解石墨(pyrolytic graphite,简称PG)的材料作为正极,但由于AlC4-阴离子体积太大,很难通过PG过于紧密的层状结构,这就限制了充电速度的进一步提高。 

 

一次偶然的机会,戴宏杰的团队发现了泡沫石墨(如下图),这种材料的晶须(单晶中生长的短纤维)宽度约为100微米,且晶须之间有充裕的空间,形成一种开放的“框架结构”,AlCl4-离子能以非常快的速度在其中穿梭。经过实验,研究人员惊讶地发现,石墨泡沫铝电池的充电速率,达到了PG铝电池的75倍——在一分钟之内就可以完成充电。

 


泡沫石墨的扫描电子显微图像,可以看到其开放的框架结构。图片来源:Lin M C, Gong M, Lu B, et al. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery[J]. Nature, 2015.

 

除了充电迅速,这种新型电池还有其他优异的性能作为“彩蛋”。在Nature网站上浏览论文的在线版本时,读者可以看到作者附上的两个视频,展示新电池的可弯折性和安全性:不论怎么弯折,电池都能正常给LED灯泡供电,这是因为,构成电池的材料——电极(铝和石墨)以及分隔膜——都是可弯折的。

 

不论怎么弯折,电池都能正常给LED灯泡供电。视频来源:Lin M C, Gong M, Lu B, et al. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery[J]. Nature, 2015.

 

铝电池的另一个优越性能,是它非常安全:就算拿钻孔机把它钻穿,电池也不会爆炸或者燃烧,甚至连温度都不怎么上升,这一点则是源于电解液的非易燃性。

 


就算拿钻孔机把它钻穿,电池也不会爆炸或者燃烧,甚至连温度都不怎么上升。视频来源:Lin M C, Gong M, Lu B, et al. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery[J]. Nature, 2015.

 

戴宏杰表示,这种新型电池不仅可以用于柔性电子设备,它的超快充电速度和超长寿命,也意味着它可以用来存储电网内的风能、太阳能等可再生能源。因此,虽然目前它的电压仅能达到传统锂电池的一半,科学家还是相信,在正极材料的性能得到继续提升后,新型铝离子电池会引领电池界一场新的革命。(撰文 丁家琦 编辑 吴兰)

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