华人教授研发新型铝离子电池世界将进入“铝”时代
据科学日报报道,斯坦福大学的科学家们发明了第一批快速充电、更持久且更廉价的高性能铝电池。研究人员表示这一最新科技提供了现在普遍使用的很多商业电池的更安全替代品。
近日，国际顶级学术刊物《自然》在线发表了该校物理与微电子科学学院鲁兵安副教授等人作为“第一作者”的论文《快速充放电铝离子电池》。《自然》杂志认为该研究成果，首次实现了可充电铝离子液体电池，这有望为国际电池产业带来革命性变化。据悉，该成果已经在美国获得多项专利保护，并有数家知名企业希望买断此专利。
鲁兵安同美国斯坦福大学戴宏杰课题组用石墨作为正极材料，并用一种相当于盐溶液的离子液体作为电解液，解决了铝电池研究在材料上的瓶颈。实验发现，用三维石墨作为电池正极材料，能极大缩短电池的充电时间。鲁兵安说，过去使用锂电池的手机需要1个小时才能完成的充电量，铝电池只需1分钟即可完成。今后，铝电池充电1小时，手机使用3、4天将不再是假想。
同时，铝电池寿命更长。普通锂电池的循环寿命一般为300次，而实验证明，铝电池循环7500次后，容量几乎没有衰减，这相当于每天充电两次，20年后电池依然经用如初。
除了安全、寿命长、快速充电等优点，相较于锂电池，铝电池生产成本将更低，还有电解产生的离子液体无毒等环保优势。今后，铝电池不仅可以使用在手机等小家电上，还可在电动汽车等容易产生剧烈碰撞和高温的领域取代目前的电池。
“我们研发了一种可充电的铝电池，它可以取代现有的存储设备，例如对环境有害的碱性电池，或者有着火风险的锂离子电池。”斯坦福大学化学教授戴宏杰(HongjieDai)这样说道。“我们研发的最新电池不会着火，哪怕你钻透电池。”
戴和他的同事的这项创新性铝离子电池研究被发表在4月6日的期刊《自然》上。铝成本低，可燃性低，且具有高电荷存储能力，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。其中面临的一个重要挑战便是找到在经历了反复充电和放电后仍能够产生足够电压的材料。
铝离子电池包含两个电极：一个由铝制成的带负电阳极和一个带正电石墨阴极。“人们尝试过不同的材料用作阴极，”戴说道。“我们意外的发现这个问题的简单解决办法便是使用石墨，石墨本质上就是碳。在我们的研究里，我们发现了一些类型的石墨材料可以产生非常好的特性。”
斯坦福研究小组将实验性的电池安装了铝阳极和石墨阴极，同时在一个灵活的聚合物包裹的口袋里装满离子液体电解质。“这个电解质其实就是室温下的液态盐，因此它非常安全。”研究合作作者、斯坦福大学研究生龚明(MingGong)这样说道。
铝电池比传统的锂离子电池更加安全，后者被广泛用于上百万台笔记本电脑和手机里，戴补充说道。“锂离子电池可能是火灾灾害。”
例如，戴提到了美国和达美航空公司近期决定禁止向客机运输大量锂电池。“在我们的研究里，视频显示你钻透了铝电池的口袋后它还能够继续工作一段时间且不会着火。”戴说道。“相比之下，锂电池很可能以无法预料的方式着火——在空中，在汽车里或者在你的口袋里。除了安全问题，我们还在铝电池性能方面取得了重大的突破性进展。”
其中一个例子便是超快充电。智能手机用户都知道锂离子电池充电需要数小时，但斯坦福研究小组表示“利用(他们的)铝电池模型，电池充电时间急剧减少至一分钟”。
耐用性是另外一个重要因素。其它实验室研发的铝电池在100次充电-放电循环后就寿终正寝了。但斯坦福小组研发的电池在经历7500次充电-放电循环后仍保证电池性能不下降或丢失。“这是首次研发经历上千次循环后仍保持稳定性的超快铝离子电池。”研究作者这样写道。
相比之下，典型的锂离子电池只能维持1000次充电-放电循环。“铝电池的另一个特征便是灵活性。”龚说道。“你可以弯曲或者折叠它，因此它具有应用于柔性电子设备(flexibleelectronicdevices)的潜力。此外，铝还是比锂更廉价的金属。”
除了小型电子设备，铝电池还可被用于电网里存储可再生能源。“电网需要具有较长循环寿命的电池以快速存储和释放能量，”戴解释道。“我们最新未发表的数据显示铝电池可以被再充电上万次。很难想象为了电网存储而建造一个巨大的锂离子电池。”
铝离子技术还能够提供一次性碱性电池的更环境友好的替代产品。“上百万名消费者使用1.5伏的AA和AAA电池，我们的可充电铝电池可以产生2伏电压。这比任何铝电池可以产生的电压都要高。”但戴表示还需要更多改进以实现与锂离子电池的电压相匹配。“我们的电池只能达到典型锂电池电压的一半，但改进阴极材料应该可以最终增加电压和能量密度。这样的话，我们创造的电池将满足你设想的电池的一切特性：不昂贵的电极、安全、高速充电、灵活和较长寿命。我已经看到了这类新电池的雏形，这真是令人兴奋。”
这项研究其它研究学者还包括来自台湾工业技术研究院的访问科学家林梦昌(Meng-ChangLin)、湖南大学的卢炳安(BinganLu)和博士后学者吴英鹏(YingpengWu)。其它作者包括斯坦福大学的王递延(Di-YanWang)、关明云(MingyunGuan),迈克尔·安吉尔(MichaelAngell)、陈长鑫(ChangxinChen)和杨江(JiangYang)；以及台湾国立师范大学的黄冰乔(Bing-JoeHwang)。
这项研究得到了美国能源部、台湾工业技术研究院、斯坦福大学全球气候和能源项目、斯坦福普雷科特能源研究所和台湾教育部的支持。
