鋁離子電池 資料圖片

隨著世界對于可再生能源開發(fā)需求的增長，電網(wǎng)電能存儲系統(tǒng)的短板日益凸顯。在鉛酸、鎳氫、鋰離子等主流電池體系當(dāng)中，鋰離子電池綜合性能最好，但是鋰的儲量有限，而且存在安全性隱患問題；鉛酸電池雖然成本低廉，但鉛有環(huán)境污染問題。因此，開發(fā)具備廉價、安全、長壽命、可快速充電的電池系統(tǒng)成為目前世界研究熱點。

近年來，鋁離子電池的出現(xiàn)為解決上述問題提供了新的解決方案。它利用地殼上最豐富的金屬元素之一的”鋁”做為電池材料，由于一個鋁離子與鋁原子間的轉(zhuǎn)換，能夠有三個電子的得失，使其理論比容量僅次于鋰，具備高度開發(fā)潛力。

從80年代開始，美國聯(lián)信公司、美國康乃爾大學(xué)、美國橡樹嶺國家實驗室、美國桑迪亞國家實驗室、印度理工學(xué)院等單位皆陸續(xù)投入鋁離子電池開發(fā)，使用石墨、氟化石墨、金屬氧化物、導(dǎo)電高分子等材料做為正極，但皆未得到理想的放電電壓(<1.7V)與足夠的充放電循環(huán)(<100次)。

美國斯坦福大學(xué)化學(xué)系戴宏杰院士所率領(lǐng)的研究群在2015年使用發(fā)泡石墨材料作為正極，離子液體作為電解液，成功開發(fā)出近30年來首個放電電壓在2V，且能充放電數(shù)千次的鋁離子電池，并提出完整電池反應(yīng)機(jī)理，相關(guān)研究成果發(fā)表在自然(Nature)雜志。

近期內(nèi)戴院士領(lǐng)導(dǎo)的研究群針對石墨電極容量不足、電解液成本高等問題，又提出了低成本、高電容量石墨正極的新制程，同時開發(fā)以尿素為主的低成本離子液體電解液，這兩者的結(jié)合讓鋁離子電池的產(chǎn)業(yè)化腳步往前邁進(jìn)了一大步。相關(guān)研究成果先后發(fā)表在近日出版的《自然—通訊》(Nature Communications)與《美國科學(xué)院院報》(Proceedings of the National Academy of Sciences)雜志上。

《自然—通訊》文中報道了一種利用天然石墨薄片作為陰極電極的鋁離子電池，該電池性能表現(xiàn)優(yōu)異，電容到達(dá)約110 mAhg-1，庫倫效率約為98%。在6 C倍率下，電池電容為60 mAh/g，超過6000次充放電循環(huán)后庫倫效率約為99%。另外，通過理論計算模擬研究了氯鋁酸鹽離子嵌入石墨層的行為機(jī)制。

《美國科學(xué)院院報》報導(dǎo)了使用氯化鋁與尿素離子液體電解液的鋁離子電池，該電池的庫倫效率表現(xiàn)優(yōu)異，能達(dá)到99.7%。在1.4C倍率下，電池容量為73 mAh/g，可穩(wěn)定充放電200次以上。氯化鋁與尿素電解液的成本低廉，搭配天然石墨材料做為陰極，鋁箔作為陽極，上述材料所構(gòu)成的鋁離子電池成本低，且具備優(yōu)異電化學(xué)性能，讓鋁離子電池成為理想的電網(wǎng)儲電系統(tǒng)。

近期，鋁離子電池為電化學(xué)儲能電池領(lǐng)域的新研究熱點，歐、美、日、韓、澳等科技發(fā)達(dá)國家皆有研究團(tuán)隊從事相關(guān)研究工作。在國內(nèi)，包括山東科技大學(xué)的林孟昌教授、北京科技大學(xué)焦樹強教授、浙江大學(xué)高超教授、江西師范大學(xué)歐陽楚英教授等研究團(tuán)隊也陸續(xù)在2015年后發(fā)表數(shù)篇關(guān)于石墨作為陰極材料的研究論文。這些工作厚植了鋁離子電池在于科學(xué)與工程上的發(fā)展優(yōu)勢。

目前，美國硅谷新創(chuàng)公司AB Systems INC專注于鋁離子電池產(chǎn)業(yè)化，已取得斯坦福大學(xué)鋁離子電池專利的專屬授權(quán)(專利申請日:1st US provisional filed on Feb 28, 2014; 2nd US provisional filed on Nov 6, 2014; PCT application filed on Feb 27, 2015)，該公司已經(jīng)成功聚集國內(nèi)、外多方產(chǎn)學(xué)研單位的資源，正全力將鋁離子電池推向市場應(yīng)用。