充电五秒钟 通话两小时 | 浙大高超课题组成功研制全天候超快长循环铝-石墨烯电池
来源 | 浙江大学（ID：zdnews99） 编辑 | 化学加
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，相关论文发表于Science Advances，第一作者为团队的陈皓博士。
刚刚过完冬至
口袋里的手机又到了“冻不冻”就黑屏关机的时刻
也许你我都会碰到这种”尴尬“情况：
尴尬的背后，暴露出的是现在广泛使用的锂电池的种种缺点。除了在低温、高温条件下电池效能不稳定，发生突然关机或爆炸的情况；锂电池寿命有限，常常在使用一两年后，满格电池的续航能力大打折扣。
但是！在不久的将来，这些都将不是问题！
因为——
近日，浙江大学高分子科学与工程学系高超团队研制出的新型铝-石墨烯电池。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摄氏度的环境中，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也不会起火或爆炸。
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左图：电池在冰盐浴中工作
右图：电池在高温下不燃烧
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。
高超课题组
耐热耐冻耐弯折的“长寿”电池
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。
铝-石墨烯电池点亮了印有"ZJU120"的LED灯串
相比于锂电池，高超课题组研发的铝-石墨烯电池展现出明显优势：一般电池随着反复充放电，比电容量会不断降低，这就是俗话说的‘不耐用’。
但这块长相“毫不起眼”的铝-石墨烯电池在这一点上则表现优异。如果把一次充电—放电作为一次循环，这种电池经历25万次循环，比电容量仍高达91%，几乎没有损失。
如果智能手机用上这种电池，每天哪怕充电10次，也能用上近70年。
“这种铝—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杂志发表工作，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。
“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。
阴极结构
电化学性能
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
“现在一些智能手机也有快充功能，看似电池很快充满了，实际续航时间并不长。”高超说，而这种新型电池现在的实验室数据是1.1秒就能充满电，比电容量损失轻微。
这表明，未来如果用到手机上，充电5秒钟通话2小时是完全可能的。但是，高超说，距离真正商业化还面临很大的挑战，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/cg/
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