急著出門辦事，電瓶車卻還要充很久才滿電；掏出手機想在冰天雪地中拍照，手機卻自動黑屏關機了；用了兩年的平板電腦，怎么也充不進電……這些生活中的用電尷尬，科學家們正在努力想辦法克服。
近日，浙江大學高分子科學與工程學系高超團隊研制出新型鋁-石墨烯電池，短短幾秒便可充電完成，循環充放25萬次后依然電力十足，并展現出耐熱、抗凍，反復彎折不影響性能等優異特性，顯示出廣泛的應用前景。
12月15日，相關論文Ultrafast all-climate aluminum-graphene battery with quarter-million cycle life發表于Science Advances，第一作者為團隊的陳皓博士。
耐熱耐凍耐彎折的“長壽”電池
柔性鋁-石墨烯電池點亮了“ZJU 120”LED燈串
一片片泛著金屬光澤的深灰色薄膜，就是團隊最新研發的石墨烯-鋁電池。它的正極是石墨烯薄膜，負極是金屬鋁。把兩片電池串聯在一起，就能點亮一組LED燈。經過測試，石墨烯正極的比容量達到120mAh/g(毫安時每克)，在25萬次充放電循環后仍能保持91%的容量；同時其倍率性能優異，快速充電可1.1秒內充滿電，仍具有111mAh/g的可逆比容量。
課題組的碩士生徐晗彥解釋，“比容量”和“倍率”是兩個評判電池性能的關鍵指標，其中，比容量可以理解為單位質量或單位體積電池的電量。比容量越大，儲電量越高。而倍率則代表快速和正常兩種充電模式下電量的差異。一般說來，快速充電充滿狀態下的電量要低于正常充電模式下充滿的電量，兩個數值越接近，就說明電池的倍率性能越好。
左圖：電池在冰鹽浴中工作；右圖：電池在高溫下不燃燒
同時，這種電池可以在零下40攝氏度到120攝氏度的環境中工作，可謂既耐高溫，又抗嚴寒。在零下30攝氏度的環境中，這種新型電池能實現1000次充放電性能不減，而在100度的環境中，它能實現4.5萬次穩定循環。這種新型電池是柔性的，將它彎折一萬次后，容量完全保持；而且，即使電芯暴露于火焰中時也不會起火或爆炸。
“鋁-石墨烯‘超級’電池，倍率性能和循環壽命遠遠超過其他電池，比超級電容器具有更高的能量密度，相當的倍率性能和循環壽命。”高超說。
鋁電池體系邁出一大步
鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，廉價安全，在電池制備中是一種理想的負極材料。但是多年來，鋁電池的整體性能仍然比不上鋰離子電池和超級電容器。關鍵問題是要設計出能與鋁匹配、高效工作的正極材料，才能真正發揮出色的電化學性能。
2015年，斯坦福大學的戴宏杰課題組在Nature發表工作，采用高溫裂解石墨泡沫來制作正極，首次實現了比容量較高且可長循環的鋁離子電池。高超課題組受此啟發，嘗試用石墨烯膜來制作鋁電池的電極。
經過一年半摸索和積累，高超團隊提出了石墨烯正極材料的“三高三連續”設計原則。
“三高三連續”設計原則
“電池的性能，關鍵取決于電子和離子在正極和負極之間‘奔跑’的狀態。”高超說，電極材料要讓盡可能多的電子和離子暢通地奔跑，或者快速‘歸位’。如果路不夠多或者道路擁擠，性能就會受到影響。“三高”指微觀結構的高質量、高取向、高孔道率；“三連續”指宏觀結構上有連續的導電網絡、連續的離子傳輸通道和連續的離子嵌層通道。
這一設計原則讓鋁-石墨烯電池的性能向前邁出一大步。之前，鋁電池的比容量一直在60mAh/g左右徘徊，可反復充放電次數也在數千次以內。
商業化仍有挑戰
高超課題組的新型電池給我們展示了美好的前景：比如，手機充電數秒就完成，在極寒和高溫環境中能自如工作，不用擔心電池爆炸，不用擔心電池老化。但是，高超說，這離真正商業化還有很大的挑戰，需要更多科學家的努力和投入才能實現。
高超說，目前的正極比容量、輸出電壓及面負載量還有較大的提升空間，能量密度不足以與鋰離子電池相匹敵，今后還需在保持高功率密度的基礎上進一步提高能量密度。此外，目前經典的離子液體電解質價格較貴，如果可以找到更廉價的電解質，鋁離子電池的商業前景將更寬廣。
