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铝离子电池正极电极与电解液材料研究获进展

导读: 美国斯坦福大学化学系戴宏杰院士所率领的研究群在2015年使用发泡石墨材料作为正极,离子液体作为电解液,成功开发出近30年来首个放电电压在2V,且能充放电数千次的铝离子电池,并提出完整电池反应机理,相关研究成果发表在自然(Nature)杂志。

随着世界对于可再生能源开发需求的增长,电网电能存储系统的短板日益凸显。在铅酸、镍氢、锂离子等主流电池体系当中,锂离子电池综合性能最好,但是锂的储量有限,而且存在安全性隐患问题;铅酸电池虽然成本低廉,但铅有环境污染问题。因此,开发具备廉价、安全、长寿命、可快速充电的电池系统成为目前世界研究热点。

铝离子电池正极电极与电解液材料研究获进展

近年来,铝离子电池的出现为解决上述问题提供了新的解决方案。它利用地壳上最丰富的金属元素之一的”铝”做为电池材料,由于一个铝离子与铝原子间的转换,能够有三个电子的得失,使其理论比容量仅次于锂,具备高度开发潜力。

从80年代开始,美国联信公司、美国康乃尔大学、美国橡树岭国家实验室、美国桑迪亚国家实验室、印度理工学院等单位皆陆续投入铝离子电池开发,使用石墨、氟化石墨、金属氧化物、导电高分子等材料做为正极,但皆未得到理想的放电电压(<1.7V)与足够的充放电循环(<100次)。

美国斯坦福大学化学系戴宏杰院士所率领的研究群在2015年使用发泡石墨材料作为正极,离子液体作为电解液,成功开发出近30年来首个放电电压在2V,且能充放电数千次的铝离子电池,并提出完整电池反应机理,相关研究成果发表在自然(Nature)杂志。

近期内戴院士领导的研究群针对石墨电极容量不足、电解液成本高等问题,又提出了低成本、高电容量石墨正极的新制程,同时开发以尿素为主的低成本离子液体电解液,这两者的结合让铝离子电池的产业化脚步往前迈进了一大步。相关研究成果先后发表在近日出版的《自然通讯》(Nature Communications)与《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences)杂志上。

《自然通讯》文中报道了一种利用天然石墨薄片作为阴极电极的铝离子电池,该电池性能表现优异,电容到达约110 mAhg-1,库伦效率约为98%。在6 C倍率下,电池电容为60 mAh/g,超过6000次充放电循环后库伦效率约为99%。另外,通过理论计算模拟研究了氯铝酸盐离子嵌入石墨层的行为机制。

《美国科学院院报》报导了使用氯化铝与尿素离子液体电解液的铝离子电池,该电池的库伦效率表现优异,能达到99.7%。在1.4C倍率下,电池容量为73 mAh/g,可稳定充放电200次以上。氯化铝与尿素电解液的成本低廉,搭配天然石墨材料做为阴极,铝箔作为阳极,上述材料所构成的铝离子电池成本低,且具备优异电化学性能,让铝离子电池成为理想的电网储电系统。

近期,铝离子电池为电化学储能电池领域的新研究热点,欧、美、日、韩、澳等科技发达国家皆有研究团队从事相关研究工作。在国内,包括山东科技大学的林孟昌教授、北京科技大学焦树强教授、浙江大学高超教授、江西师范大学欧阳楚英教授等研究团队也陆续在2015年后发表数篇关于石墨作为阴极材料的研究论文。这些工作厚植了铝离子电池在于科学与工程上的发展优势。

目前,美国硅谷新创公司AB Systems INC专注于铝离子电池产业化,已取得斯坦福大学铝离子电池专利的专属授权(专利申请日:1st US provisional filed on Feb 28, 2014; 2nd US provisional filed on Nov 6, 2014; PCT application filed on Feb 27, 2015),该公司已经成功聚集国内、外多方产学研单位的资源,正全力将铝离子电池推向市场应用。

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