斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)明了第一批快速充電、更持久且更廉價(jià)的高性能鋁電池。研究人員表示這一最新科技提供了現(xiàn)在普遍使用的很多商業(yè)電池的更安全替 代品。“我們研發(fā)了一種可充電的鋁電池，它可以取代現(xiàn)有的存儲(chǔ)設(shè)備，例如對(duì)環(huán)境有害的堿性電池，或者有著火風(fēng)險(xiǎn)的鋰離子電池。”斯坦福大學(xué)化學(xué)教授戴宏杰 （Hongjie Dai）這樣說(shuō)道。“我們研發(fā)的最新電池不會(huì)著火，哪怕你鉆透電池。”
戴和他的同事的這項(xiàng)創(chuàng)新性鋁離子電池研究被發(fā)表在4月6日的期刊《自然》上。鋁成本低，可燃性低，且具有高電荷存儲(chǔ)能力，因此一直是用作電池頗具吸引力 的材料。在過(guò)去幾十年，研究人員致力于研發(fā)商業(yè)可行的鋁離子電池，卻一直以失敗告終。其中面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)便是找到在經(jīng)歷了反復(fù)充電和放電后仍能夠產(chǎn)生足夠電壓的材料。
鋁離子電池包含兩個(gè)電極：一個(gè)由鋁制成的帶負(fù)電陽(yáng)極和一個(gè)帶正電石墨陰極。“人們嘗試過(guò)不同的材料用作陰極，”戴說(shuō)道。“我們意外的發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題的簡(jiǎn)單 解決辦法便是使用石墨，石墨本質(zhì)上就是碳。在我們的研究里，我們發(fā)現(xiàn)了一些類型的石墨材料可以產(chǎn)生非常好的特性。”斯坦福研究小組將實(shí)驗(yàn)性的電池安裝了鋁 陽(yáng)極和石墨陰極，同時(shí)在一個(gè)靈活的聚合物包裹的口袋里裝滿離子液體電解質(zhì)。“這個(gè)電解質(zhì)其實(shí)就是室溫下的液態(tài)鹽，因此它非常安全。”研究合作作者、斯坦福 大學(xué)研究生龔明（Ming Gong）這樣說(shuō)道。鋁電池比傳統(tǒng)的鋰離子電池更加安全，后者被廣泛用于上百萬(wàn)臺(tái)筆記本電腦和手機(jī)里，戴補(bǔ)充說(shuō)道。“鋰離子電池可能是火災(zāi)災(zāi)害。”
例如，戴提到了美國(guó)和達(dá)美航空公司近期決定禁止向客機(jī)運(yùn)輸大量鋰 電池。“在我們的研究里，視頻顯示你鉆透了鋁電池的口袋后它還能夠繼續(xù)工作一段時(shí)間且不會(huì)著火。”戴說(shuō)道。“相比之下，鋰電池很可能以無(wú)法預(yù)料的方式著火 ——在空中，在汽車?yán)锘蛘咴谀愕目诖铩３税踩珕?wèn)題，我們還在鋁電池性能方面取得了重大的突破性進(jìn)展。”其中一個(gè)例子便是超快充電。智能手機(jī)用戶都知道 鋰離子電池充電需要數(shù)小時(shí)，但斯坦福研究小組表示“利用（他們的）鋁電池模型，電池充電時(shí)間急劇減少至一分鐘”。耐用性是另外一個(gè)重要因素。其它實(shí)驗(yàn)室研 發(fā)的鋁電池在100次充電-放電循環(huán)后就壽終正寢了。但斯坦福小組研發(fā)的電池在經(jīng)歷7500次充電-放電循環(huán)后仍保證電池性能不下降或丟失。“這是首次研 發(fā)經(jīng)歷上千次循環(huán)后仍保持穩(wěn)定性的超快鋁離子電池。”研究作者這樣寫道。相比之下，典型的鋰離子電池只能維持1000次充電-放電循環(huán)。“鋁電池的另一個(gè) 特征便是靈活性。”龔說(shuō)道。“你可以彎曲或者折疊它，因此它具有應(yīng)用于柔性電子設(shè)備（flexible electronic devices）的潛力。此外，鋁還是比鋰更廉價(jià)的金屬。”
除了小型電子設(shè)備，鋁電池還可被用于電網(wǎng)里存儲(chǔ)可再生能源。“電網(wǎng)需要具有較長(zhǎng)循環(huán)壽命的電池以快速存儲(chǔ)和釋放能量，”戴解釋道。“我們最新未發(fā)表的數(shù) 據(jù)顯示鋁電池可以被再充電上萬(wàn)次。很難想象為了電網(wǎng)存儲(chǔ)而建造一個(gè)巨大的鋰離子電池。”鋁離子技術(shù)還能夠提供一次性堿性電池的更環(huán)境友好的替代產(chǎn)品。“上 百萬(wàn)名消費(fèi)者使用1.5伏的AA和AAA電池，我們的可充電鋁電池可以產(chǎn)生2伏電壓。這比任何鋁電池可以產(chǎn)生的電壓都要高。”但戴表示還需要更多改進(jìn)以實(shí) 現(xiàn)與鋰離子電池的電壓相匹配。“我們的電池只能達(dá)到典型鋰電池電壓的一半，但改進(jìn)陰極材料應(yīng)該可以最終增加電壓和能量密度。這樣的話，我們創(chuàng)造的電池將滿 足你設(shè)想的電池的一切特性：不昂貴的電極、安全、高速充電、靈活和較長(zhǎng)壽命。我已經(jīng)看到了這類新電池的雛形，這真是令人興奮。”
這項(xiàng)研究其它研究學(xué)者還包括來(lái)自臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院的訪問(wèn)科學(xué)家林夢(mèng)昌（Meng-Chang Lin）、湖南大學(xué)的盧炳安（Bingan Lu ）和博士后學(xué)者吳英鵬（Yingpeng Wu）。其它作者包括斯坦福大學(xué)的王遞延（Di-Yan Wang）、關(guān)明云（Mingyun Guan）, 邁克爾·安吉爾（Michael Angell）、陳長(zhǎng)鑫（ Changxin Chen）和楊江（ Jiang Yang）；以及臺(tái)灣國(guó)立師范大學(xué)的黃冰喬（Bing-Joe Hwang）。這項(xiàng)研究得到了美國(guó)能源部、臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院、斯坦福大學(xué)全球氣候和能源項(xiàng)目、斯坦福普雷科特能源研究所和臺(tái)灣教育部的支持。
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