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新型铝-石墨双离子电池工作原理揭秘

导读: 近日,中国科学院深圳先进技术研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究员唐永炳团队联合香港城市大学教授李振声经过长时间努力,成功研发出一种全新的高效、低成本储能电池。

  近日,中国科学院深圳先进技术研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究员唐永炳团队联合香港城市大学教授李振声经过长时间努力,成功研发出一种全新的高效、低成本储能电池。

  锂离子电池已成为便携式电子设备、电动汽车、可再生能源系统等领域的主要能源转换和存储设备。全球对锂电的需求以每年7.7%的速度增长,其市场到2019年将达到1200亿美元(据美国弗里多尼亚集团市场调查)。由于受到正负极材料理论比容量较低的限制,目前商用锂离子电池的能量密度仅为100-150Wh/kg,并且制造成本较高,越来越难满足电子智能终端产品、电动汽车等领域对高能量密度、低成本储能器件的性能要求。此外传统锂离子电池的电极材料含有有毒金属,电池废弃会造成严重的环境问题。

新型铝-石墨双离子电池结构及工作原理示意图

  新型铝-石墨双离子电池结构及工作原理示意图

  为突破现有电池技术瓶颈,唐永炳及其团队成员张小龙、张帆经过长期研发,成功研制出一种全新的铝—石墨双离子电池(AGDIB)。这种新型AGDIB电池采用廉价且易得的石墨替代传统锂电中高成本且含重金属的过渡金属氧化物或磷酸铁锂作为电池正极材料;采用铝箔同时作为电池负极材料和负极集流体;以常规锂盐和碳酸脂溶剂为电解液。该电池工作原理有别于传统锂离子电池,充电过程中,正极石墨发生阴离子插层反应,而铝负极发生铝-锂合金化反应,放电过程则相反。这种新型反应机理不仅显著提高了电池的工作电压(3.8-4.6V),同时大幅降低电池的质量、体积及制造成本,从而全面提升了全电池的能量密度。

  初步估算该类型电池的全电池质量能量密度和体积能量密度将高达约222Wh/kg。500Kg重量的AGDIB电池的续航里程可达到约550公里。与传统的锂电技术相比,这种电池具有明显的优势,不仅生产成本降低约40-50%,同时能量密度提高至少1.3-2.0倍。若这种铝-石墨电池成功实现产业化,将大幅提升现有便携式电子设备、电动汽车以及新能源储能系统的使用性能。不过,目前该电池技术还有待优化,比如需要进一步提高电池的循环稳定性等。

  该项研究得到广东省创新科研团队、深圳市科技计划项目和国家自然科学基金等项目的资助。

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