近日，浙江大學高分子科學與工程學系高超團隊研制出的新型鋁-石墨烯電池。這種電池可以在零下40攝氏度到120攝氏度的環境中工作，可謂既耐高溫，又抗嚴寒。在零下30攝氏度的環境中，這種新型電池能實現1000次充放電性能不減，而在100攝氏度的環境中，它能實現4.5萬次穩定循環。這種新型電池是柔性的，將它彎折一萬次后，容量完全保持；而且，即使電芯暴露于火焰中也不會起火或爆炸。

12月15日，相關論文Ultrafast all-climate aluminum-graphene battery with quarter-million cycle life發表于Science Advances，第一作者為團隊的陳皓博士。

耐熱耐凍耐彎折的“長壽”電池

一片片泛著金屬光澤的深灰色薄膜，就是團隊最新研發的石墨烯—鋁電池。它的正極是石墨烯薄膜，負極是金屬鋁。把兩片電池串聯在一起，就能點亮一組LED燈。經過測試，石墨烯正極的比容量達到120mAh/g（毫安時每克），在25萬次充放電循環后仍能保持91%的容量；同時其倍率性能優異，快速充電可1.1秒內充滿電，仍具有111mAh/g的可逆比容量。

相比于鋰電池，高超課題組研發的鋁-石墨烯電池展現出明顯優勢：一般電池隨著反復充放電，比電容量會不斷降低，這就是俗話說的‘不耐用’。

但這塊長相“毫不起眼”的鋁-石墨烯電池在這一點上則表現優異。如果把一次充電—放電作為一次循環，這種電池經歷25萬次循環，比電容量仍高達91%，幾乎沒有損失。

也就是說，如果智能手機用上這種電池，每天哪怕充電10次，也能用上近70年。

“這種鋁—石墨烯‘超級’電池，倍率性能和循環壽命遠遠超過其他電池，比超級電容器具有更高的能量密度，相當的倍率性能和循環壽命。”高超說。

鋁電池體系邁出一大步

鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，廉價安全，在電池制備中是一種理想的負極材料。但是多年來，鋁電池的整體性能仍然比不上鋰離子電池和超級電容器。關鍵問題是要設計出能與鋁匹配、高效工作的正極材料，才能真正發揮出色的電化學性能。

2015年，斯坦福大學的戴宏杰課題組在Nature雜志發表工作，采用高溫裂解石墨泡沫來制作正極，首次實現了比容量較高且可長循環的鋁離子電池。高超課題組受此啟發，嘗試用石墨烯膜來制作鋁電池的電極。

經過一年半摸索和積累，高超團隊提出了石墨烯正極材料的“三高三連續”設計原則。

“電池的性能，關鍵取決于電子和離子在正極和負極之間‘奔跑’的狀態。”高超說，電極材料要讓盡可能多的電子和離子暢通地奔跑，或者快速‘歸位’。如果路不夠多或者道路擁擠，性能就會受到影響。“三高”指微觀結構的高質量、高取向、高孔道率；“三連續”指宏觀結構上有連續的導電網絡、連續的離子傳輸通道和連續的離子嵌層通道。

這一設計原則讓鋁—石墨烯電池的性能向前邁出一大步。之前，鋁電池的比容量一直在60mAh/g左右徘徊，可反復充放電次數也在數千次以內。

商業化仍有挑戰

“現在一些智能手機也有快充功能，看似電池很快充滿了，實際續航時間并不長。”高超說，而這種新型電池現在的實驗室數據是1.1秒就能充滿電，比電容量損失輕微。

這表明，未來如果用到手機上，充電5秒鐘通話2小時是完全可能的。但是，高超說，距離真正商業化還面臨很大的挑戰，需要更多科學家的努力和投入才能實現。

高超說，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，今后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。