湖南大學成功研發鋁離子電池 手機1分鐘可充滿電

2021-01-21 電鏡網

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轉自  材料科學與工程

湖南大學物理學院副教授魯兵安等人成功研發出鋁離子電池。這種電池相較於目前廣泛使用的鋰離子電池，充電更快，電量更耐用，使用壽命更長，生產成本更低。國際頂級學術刊物《Nature》於倫敦時間4月6日，在線發表了該項研究成果。


（可快速充電、柔性、離子液體、二次鋁電池）

（魯兵安演示可快速充電、柔性、離子液體、二次鋁電池）

　　湖南大學物理學院副教授魯兵安等人成功研發出鋁離子電池。這種電池相較於目前廣泛使用的鋰離子電池，充電更快，電量更耐用，使用壽命更長，生產成本更低。國際頂級學術刊物《Nature》於倫敦時間4月6日，在線發表了該項研究成果。

　　《Nature》雜誌認為,該研究成果首次實現了可充電鋁離子液體電池，可應用於現代各種電子設備從而改善人類的生活方式。專家預測，鋁離子電池的面世，將對世界電池產業帶來重大變革。目前該成果已經在美國獲得了多項專利保護，並有數家知名企業致力於買斷該專利。

　　目前普遍使用的鋰離子電池容量低、壽命短，且存在高溫、碰撞等條件下容易自燃或爆炸等巨大安全隱患。高容量和安全的可充電鋁電池一直是科學界致力於研究的現 有電池的取代品，然而由於鋁電池正極材料容易被腐蝕和不能有效的進行放電等問題，在過去30年中可充電鋁電池始終處於概念階段。

　　魯兵安副教授等人用石墨作為正極材料，並用一種相當於鹽溶液的離子液體作為電解液，從而解決了鋁電池研究在材料上的瓶頸問題。實驗發現用三維石墨作為電池正 極材料，由於三維石墨優良的導電性能和巨大的比表面積，能夠極大的縮短電池的充電時間。過去在iphone等使用鋰電池的手機上需要1個小時才能完成的充 電量，在該鋁電池上1分鐘即可完成。今後，鋁電池充電1小時，手機使用3、4天不再是假想。同時，鋁電池壽命更長。實驗證明，鋁電池循環7500次後，容 量幾乎沒有衰減。而普通鋰電池的循環壽命一般為300次。

　　除了安全、壽命長、快速充電慢速放電等優點，相較於鋰電池，鋁電池生產成本將更低，還有電解產生的離子液體無毒等環保優勢。今後，鋁電池不僅可以使用在如今通用的手機等小家電上，還將在電動汽車等容易產生劇烈碰撞與高溫地方取代目前的電池。

　　《Nature》雜誌是國際上最具影響力的學術期刊之一。其發表的論文代表了某一重要科學問題的實質性進展,具有近期和遠期的重要影響。

　　1985年出生的魯兵安，2012年博士畢業後來校工作，現為湖南大學物理與微電子科學學院副教授。2014年5月，在國家留學基金委的支持下，以訪問學者的身份前往美國史丹福大學化學系戴宏傑課題組進行為期一年的交流訪問。


　　AL/空氣型電池是一種新型高比能電池,鋁以其獨特的優勢，將成為金屬/空氣電池陽極的首選材料。　　AL/空氣型電池中，鋁合金負極在電池放電時不斷消耗，並生成AL(OH)3；正極是多孔性氧電極。電池放電時，從外界進入電極的氧(空氣)發生電化學反應，生成OH。從可充電性來看，該電池可分為一次電池和機械可充的二次電池（即更換鋁負極)，電解液可分為中性溶液(NaCI或NHC1水溶液或海水)和鹼性溶液。　　Al/空氣型電池可設計成應急電源、電動車用電源以及信號電源等。作為推進器用一次電源，具有高達300-400Wh/kg的實際比能量，遠高於其他金屬/空氣電池J。電池結構和使用的原材料可根據實用環境和要求而變動，具有很大的適應性。但其組裝的複雜性可能會阻礙其發展，通過合理的工藝改善其電池結構，提高其性能，將使得鋁/空氣電池取得進一步的發展。

熔鹽鋁型


　　鋁在高溫條件下具有較高電負性，是理想的熔鹽體系電池電極材料。與水溶液電解質相比，熔鹽電解質的優點主要為有高的電導率，低的極化率和高分解電勢。而且鋁在熔鹽電解質中可發生電化學沉積，故可開發為鋁二次電池。鋁熔鹽二次電池具有較高能量密度，但電池工作電壓不高，且充電過程中鋁容易形成鋁支晶導致循環充放電性能不佳，過分的依賴於熔鹽的組成。熔鹽電解質需要高溫或對環境要求苛刻，且成本較高難於維護，限制了鋁二次電池的發展。

　　除此之外，還有其他鋁電池，包括AL/AgO、AL/MnO2、Al/H2O2、Al/S、AL/MnO4、AL/Ni、AI/KFe(CN)6等。

鋁電池雖研究較多，但卻沒有一種能真正實現工業產業化，究其原因有三點：　　(1)鋁容易形成緻密的氧化膜，使鋁電極電位迅速下降；　　(2)鋁較活潑且是兩性元素，容易與介質發生嚴重析氫反應；　　(3)鹼性介質中，鋁陽極成流反應和腐蝕反應產物均為AI(OH)3，不但降低電解質電導率而且增加鋁陽極極化，使得鋁電池性能惡化，生成的膠狀AI(OH)3在無催化劑條件下很難轉化為可溶於水的AI(OH)4-。　　(1)從鋁合金本身出發，添加合金元素如In，Mn，Mg，Zn，Ga，Sn，T1等，改善鋁合金陽極性能，使得鋁在反應介質中得到活化；　　(2)從反應介質出發，在反應介質中加入可降低鋁陽極析氫速率的添加劑；　　(3)從電池體結構出發，改善電池透氣和排液結構，或設計為電解質循環結構。

文章來源：湖南大學新聞網-新材料在線-百度百科


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