以石墨烯為電極的鋁離子電池的研究

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是解決電動(dòng)汽車和可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。以有機(jī)溶劑為電解質(zhì)的鋰離子電池具有能量密度優(yōu)勢(shì)，但存在安全隱患，鋰資源有限。而水系統(tǒng)非鋰離子電池(如鈉離子、鉀離子、鋅離子、鎂離子等)則具有安全性高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。自2013年以來,寧波的動(dòng)態(tài)鋰離子電池工程實(shí)驗(yàn)室信息技術(shù)與工程研究所,我國(guó)科學(xué)院前瞻性地提出了研究新概念non-lithium離子電池的電池,并取得了一系列的進(jìn)展新概念上的基礎(chǔ)研究離子電池的水系統(tǒng)。然而，河流離子電池的循環(huán)壽命相對(duì)有限，一般小于1000倍，難以滿足大規(guī)模儲(chǔ)能的要。

由美國(guó)hongjiedai,斯坦福大學(xué)教授在2015年自然(2015、520、324)報(bào)道,激發(fā)了一種新型的鋁離子電池、動(dòng)力鋰離子電池由寧波信息工程實(shí)驗(yàn)室開放石墨烯電極鋁離子電池進(jìn)行討論,在這工作,科研人員選擇靈活的陽(yáng)極,多層石墨烯的生產(chǎn)金屬作為陽(yáng)極,鋁離子液體作為電解液,超長(zhǎng)循環(huán)壽命，高性能2v鋁離子電池。結(jié)果表明，二維片狀石墨陽(yáng)極的厚度(層數(shù))和橫向尺度對(duì)AlCl4離子的包埋行為有重要影響。與片狀石墨相比有1000層,多層石墨烯的層數(shù)是非常小(小于10層),可顯著降低活化能AlCl4-離子嵌入和擴(kuò)散,使電池具有超高乘數(shù)性能,所以充電和放電可能在1分鐘之內(nèi)完成。另一方面,多層石墨烯的電極由一個(gè)更大的規(guī)模有更好的靈活性和石墨化程度,和更寬容的重復(fù)插入和刪除AlCl4-離子,然后允許電池執(zhí)行循環(huán)壽命極長(zhǎng),幾乎沒有衰減能力10000年之后充電和放電周期。此外，通過一系列精細(xì)表征，研究工作進(jìn)一步揭示了AlCl4-離子在二維石墨如多層石墨烯、石墨等正極數(shù)據(jù)中的插層化學(xué)機(jī)制，即插層離子誘導(dǎo)四階和五階結(jié)構(gòu)變化的機(jī)制。研究工作不僅對(duì)鋁離子電池中石墨正極數(shù)據(jù)的選擇具有重要的指導(dǎo)意義，而且對(duì)開發(fā)實(shí)用的石墨烯基新型長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能電池具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。

上述研究工作得到了我國(guó)科學(xué)院的關(guān)鍵部署項(xiàng)目(kgzd-ew-t08-2),該計(jì)劃促進(jìn)青年的我國(guó)科學(xué)院(2017341),國(guó)家自然科學(xué)基金(51404233)和浙江省自然科學(xué)基金(LY15B030004)。