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石墨烯基新型长寿命铝离子电池研究中获进展

【发稿时间】:2017/5/3

电化学储能技术是解决电动汽车与可再生能源并网发电的关键。以有机溶剂为电解液的锂离子电池在能量密度上具有优势,但存在安全隐患和锂资源有限的问题。与之相比,水系非锂离子(如钠离子、钾离子、锌离子、镁离子等)电池具有高安全和低成本等优点,在储能领域中具有重要应用前景。自2013年以来,中国科学院宁波材料技术与工程研究所动力锂电池工程实验室前瞻布局了非锂离子电池的新概念电池研究,在水系离子新概念电池基础研究上取得了系列进展 (Scientific Reports 2013, 3, 1946; ChemSusChem 2014, 7, 2295; Advanced Energy Materials 2015, 5, 1400930; Scientific Reports 2015, 5, 18263; Nature Communications 2016, 7, 11982)。但水系离子电池的循环寿命比较有限,一般小于1000次,难以满足规模储能的需要。2015年美国斯坦福大学教授戴宏杰在Nature (2015, 520, 324) 报道了一种新型铝离子电池,因其耐用、低可燃性及成本等特点,而引起学界和工业界的广泛关注。

  受该工作启发,宁波材料所动力锂电池工程实验室开展了以石墨烯为电极的铝离子电池研究,近期研究工作以Large-sized few-layer graphene enables an ultrafast and long-life aluminum-ion battery 为题在线发表于《先进能源材料》(Advanced Energy Materials,DOI: 10.1002/aenm.201700034)。在该工作中,科研人员采用量产的多层石墨烯(由宁波墨西科技有限公司生产提供)为柔性正极、金属铝为负极、离子液体为电解液,构建出具有超长循环寿命和超高倍率性能的2 V铝离子电池。研究发现二维片状石墨类负极材料的厚度(层数)和横向尺寸均对AlCl4-离子的嵌入行为有重要影响。相对于层数达千层的鳞片石墨,多层石墨烯的层数极少(10层以下),可以显著降低AlCl4-离子嵌入和扩散的活化能,使得该电池具有超高的倍率性能,因此可在1分钟内完成充放电。另一方面,由更大尺寸的多层石墨烯制作的电极,由于具有更好的柔韧性和石墨化度,对AlCl4-离子的重复嵌入和脱出具有更强的耐受能力,从而让电池表现超长的循环寿命,充放电循环10000次后容量几乎无衰减。此外,该研究工作通过一系列的精细表征还进一步揭示了AlCl4-离子在多层石墨烯、石墨等二维石墨类正极材料的插层化学机制,即插层离子诱导的四阶和五阶结构变化机制。该研究工作不仅对铝离子电池中石墨类正极材料的选择具有重要指导意义,还对于发展实用化石墨烯基新型长寿命储能电池具有较大的学术价值。

   

采用石墨烯柔性电极和石墨涂层电极的铝离子电池放电模型 

 

不同尺寸石墨烯和石墨正极中插层离子诱导的高阶结构变化机制 

 
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