中美华人研制出世界首个高效铝电池:1分钟可完成充电

知社学术圈2021-02-21 10:27:25

【编者按】湖南大学物理学院副教授鲁兵安与美国斯坦福大学化学系教授戴宏杰等华人为主的研究小组,成功研发全球首个高效铝电池。这种电池环保安全、成本低,而且1分钟即可完成充电,循环7500次后,电池容量几乎无衰减。这有望为国际电池产业再次带来革命性变化。《自然》杂志于伦敦时间4月6日在线发表了该项突破进展。【知社学术圈】为您详细解读这一突破。


湖南大学物理学院副教授鲁兵安和斯坦福大学化学教授戴宏杰等科学家已经研制出了第一个高性能的铝电池。这种铝电池的特点是高效耐用、可超快充电、成本低。相对于目前市场上普遍使用的大多数电池来说,这一新技术制造的电池也更安全。鲁兵安和戴宏杰等人的该项研究成果于4月6日发表在《Nature》上。


斯坦福大学化学教授戴宏杰说:“我们开发的可充电铝离子电池能够取代现有的储能设备,比如对环境有害的碱金属电池以及会发生燃烧的锂离子电池。我们的新电池即使你用钻头去钻,它也不会着火。


铝的价格便宜,不易燃烧并且具有高的储电性能,很长时间以来一直是一种很有吸引力的电池材料。但几十年来一直没能制成可商业化的铝离子电池,其中主要的困难在于制造出能够在反复充放电之后仍能产生足够电压的材料。铝离子电池的阴极是铝,戴教授说“人们试过采用不同材料来作阳极,我们偶然发现,解决这一问题的一个简单方法是使用石墨。在我们的研究中,我们确定出了能够给出优良性能的几种石墨材料。


戴教授团队的实验室样品电池采用铝作阳极,纳米石墨作阴极,室温下为液体的离子盐作电解液,以及涂有聚合物的柔性材料作外壳。与锂电池发生燃烧的不可预测相比,他们的研究显示,即使钻透铝电池的外壳,它不但不会燃烧而且还能继续工作一段时间。另外,他们制作的铝电池能够在1分钟之内完成充电,并且在充放电超过7500次之后,电池的储电性能仍没有下降。与之相比,锂离子电池通常需要几个小时完成充电,充放电的上限大约为1000次。铝电池的另一个特性是它的柔性,它可以被弯曲、折叠,因而可用于柔性电子设备。与锂相比,铝也是更便宜的金属。


应用前景

除了可应用与小电子器件,铝电池还可用于在电网上储存可再生电能。戴宏杰等的尚未发表的研究表明,铝电池的充电次数可达几万次,这将能够满足电网对长效、快速储放电的要求,这一点如果用锂电池去实现则是无法想像的。


铝电池比一次性电池更环保。几千万的用户在使用1.5伏一次性电池,戴宏杰等的铝电池可提供2伏的电压,这超过了目前任何其它铝电池能够提供的电压。但铝电池的电压仍需要提高到锂电池能够提供的水平,戴教授说“我们的电池现在大约能够提供一般锂电池电压的一半。还需改进阴极材料,从而最终提高电压和储能密度。一种新的电池正在诞生,这非常令人振奋。”


【知社学术圈】是由一批海归学者发起的公益学术交流平台,旨在分享学术信息,整合学术资源,加强学术交流,促进学术进步。我们欢迎各领域学者来函来稿交流合作(xueshuquan@yahoo.com),欢迎无删改的转载与分享。机构公共号分享,请知会微信ID scholarset。