中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是解決電動(dòng)汽車與可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵。以有機(jī)溶劑為電解液的鋰離子電池在能量密度上具有優(yōu)勢(shì)，但存在安全隱患和鋰資源有限的問題。與之相比，水系非鋰離子（如鈉離子、鉀離子、鋅離子、鎂離子等）電池具有高安全和低成本等優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用前景。自2013年以來，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室前瞻布局了非鋰離子電池的新概念電池研究，在水系離子新概念電池基礎(chǔ)研究上取得了系列進(jìn)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)。但水系離子電池的循環(huán)壽命比較有限，一般小于1000次，難以滿足規(guī)模儲(chǔ)能的需要。2015年美國(guó)斯坦福大學(xué)教授戴宏杰在Nature (2015, 520, 324) 報(bào)道了一種新型鋁離子電池，因其耐用、低可燃性及成本等特點(diǎn)，而引起學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。
受該工作啟發(fā)，寧波材料所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室開展了以石墨烯為電極的鋁離子電池研究，近期研究工作以Large-sized few-layer graphene enables an ultrafast and long-life aluminum-ion battery 為題在線發(fā)表于《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials，DOI: 10.1002/aenm.201700034）。在該工作中，科研人員采用量產(chǎn)的多層石墨烯（由寧波墨西科技有限公司生產(chǎn)提供）為柔性正極、金屬鋁為負(fù)極、離子液體為電解液，構(gòu)建出具有超長(zhǎng)循環(huán)壽命和超高倍率性能的2 V鋁離子電池。研究發(fā)現(xiàn)二維片狀石墨類負(fù)極材料的厚度（層數(shù)）和橫向尺寸均對(duì)AlCl4-離子的嵌入行為有重要影響。相對(duì)于層數(shù)達(dá)千層的鱗片石墨，多層石墨烯的層數(shù)極少（10層以下），可以顯著降低AlCl4-離子嵌入和擴(kuò)散的活化能，使得該電池具有超高的倍率性能，因此可在1分鐘內(nèi)完成充放電。另一方面，由更大尺寸的多層石墨烯制作的電極，由于具有更好的柔韌性和石墨化度，對(duì)AlCl4-離子的重復(fù)嵌入和脫出具有更強(qiáng)的耐受能力，從而讓電池表現(xiàn)超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，充放電循環(huán)10000次后容量幾乎無衰減。此外，該研究工作通過一系列的精細(xì)表征還進(jìn)一步揭示了AlCl4-離子在多層石墨烯、石墨等二維石墨類正極材料的插層化學(xué)機(jī)制，即插層離子誘導(dǎo)的四階和五階結(jié)構(gòu)變化機(jī)制。該研究工作不僅對(duì)鋁離子電池中石墨類正極材料的選擇具有重要指導(dǎo)意義，還對(duì)于發(fā)展實(shí)用化石墨烯基新型長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能電池具有較大的學(xué)術(shù)價(jià)值。
上述研究工作得到了中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、中科院青促會(huì)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金和浙江省自然科學(xué)基金的資助。
