鋁離子電池正極電極與電解液材料研究獲進展
2017年04月19日 9:2 4280次瀏覽 來源： 中國無機鹽工業(yè)協(xié)會鋰鹽行業(yè)分會 分類： 鋁資訊
隨著世界對于可再生能源開發(fā)需求的增長，電網電能存儲系統(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，美國聯信公司、美國康乃爾大學、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)。
美國斯坦福大學化學系戴宏杰院士所率領的研究群在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，且能充放電數千次的鋁離子電池，并提出完整電池反應機理，相關研究成果發(fā)表在自然(Nature)雜志。
近期內戴院士領導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，這兩者的結合讓鋁離子電池的產業(yè)化腳步往前邁進了一大步。相關研究成果先后發(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，該電池性能表現優(yōu)異，電容到達約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制。
《美國科學院院報》報導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優(yōu)異，能達到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，上述材料所構成的鋁離子電池成本低，且具備優(yōu)異電化學性能，讓鋁離子電池成為理想的電網儲電系統(tǒng)。
近期，鋁離子電池為電化學儲能電池領域的新研究熱點，歐、美、日、韓、澳等科技發(fā)達國家皆有研究團隊從事相關研究工作。在國內，包括山東科技大學的林孟昌教授、北京科技大學焦樹強教授、浙江大學高超教授、江西師范大學歐陽楚英教授等研究團隊也陸續(xù)在2015年后發(fā)表數篇關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業(yè)化，已取得斯坦福大學鋁離子電池專利的專屬授權(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)，該公司已經成功聚集國內、外多方產學研單位的資源，正全力將鋁離子電池推向市場應用。
責任編輯：于璐
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