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新型铝离子电池
在 2015-06-12 发布

斯坦福大学戴宏杰课题组在Nature上发表研究成果,开发出具有超快可逆充放电能力的铝离子电池体系。

铝成本低,可燃性低,且具有高电荷存储能力和三电荷氧化还原能力,因此一直是用作电池颇具吸引力的材料。在过去几十年,研究人员致力于研发商业可行的铝离子电池,却一直以失败告终。其中面临的一系列重要挑战包括正极嵌入性差、放电电压低、无放电电压平台、循环寿命短(不足100周)、容量衰减快(100周循环后容量仅26-85%)等。因此,寻找在经历了反复充放电后仍能够产生足够电压的材料是实现铝离子电池突破的重要途径。

戴宏杰课题组开发的这款铝离子电池以铝箔做负极,以AlCl3/[EMIm]Cl离子液体为电解液,以泡沫石墨和热解石墨分别作为正极材料,并对其性能进行了对比。该电池以AlCl4-作为导电离子,在2.25~2.0V1.9~1.5V附近分别出现放电电压平台,放电容量接近70mAhg-1,能量密度在40Whkg-1左右(接近铅酸电池),功率密度可以达到3000Wkg-1(接近超级电容器)。

4Al2Cl7+3eAl+7AlCl4

Cn+ AlCl4Cn[AlCl4]+ e

首次开发出经历上千次循环后仍保持稳定性的超快铝离子电池

与热解石墨正极体系相比,以泡沫石墨为正极的铝离子电池体系可以实现5000mAg-175C)的快速充放电,是前者的75倍。该电池体系在经历7500个循环后容量保持率仍然接近100%

该电池体系还能够同时实现快速充电(充电速率5000mAg-1,约1分钟)和缓慢放电(放电速率100 mAg-1,约34分钟),同时将容量保持在较高水平上(~60 mAhg-1)。此外,由于采用离子液体作为电解液,进一步降低了体系中的水含量,从而抑制了金属铝与水的副反应,因此电池的库伦效率大幅提高到97±2.3%

电池可折叠可弯曲,安全性大幅提高

由于体系采用金属铝负极和离子液体电解液在空气中都可以稳定存在并且不易燃烧,因此大大提高了铝离子电池体系的安全性。经过实验,该电池体系还可以随意弯曲和折叠,为其在柔性电子设备中的应用奠定了基础。