全天候超快长循环铝-石墨烯电池来啦

铝离子电池是一种基于金属铝负极、铝基离子液体电解质和特定正极的新型电池。作为负极的金属铝储量丰富、廉价安全、比容量高。目前铝离子电池面临的主要问题在于正极材料的电化学性能不足，导致电池整体的性能仍然无法匹敌传统的高能量密度锂离子电池和高功率密度的超级电容器等。

为解决该问题，浙江大学高分子科学与工程学系高超教授团队设计制备了石墨烯膜正极材料，获得了具有超高倍率和超长循环性能的铝-石墨烯电池。

这些优异性能得益于石墨烯正极材料的“三高三连续”设计原则。“三高”指高质量、高取向、高孔道率；“三连续”指连续的导电网络、连续的离子传输通道和连续的离子嵌层通道。通过单层氧化石墨烯溶液的连续湿纺或刮涂工艺，得到了高度取向的氧化石墨烯膜；高温还原后，得到了高质量无晶格缺陷的石墨烯膜；在高温还原过程中利用独特的气体压力及“气囊”现象构筑了连续的孔道，实现了高孔道率，有利于电解质的快速浸润。这种石墨烯膜在微观结构上具有“三高”特征，宏观整体上具有三连续特性，同时在力学强度、导电率及柔性等方面也表现突出，使得所组装的铝-石墨烯电池具有超快倍率和超长循环性能。此外，由于原材料廉价易得，制造工艺简便、连续、可控，产品与传统工艺相兼容，这种正极材料有望实现规模化生产。

石墨烯正极的比容量达到120mAhg-1，在250,000次循环后仍能保持91%的容量；同时其倍率性能优异，在最高400Ag-1的电流密度下（3333C,1.1秒内充满电）仍具有111mAhg-1的可逆比容量。该种铝-石墨烯电池可以在-40到120摄氏度下工作，并在-30摄氏度和100摄氏度下分别实现了1000圈和45,000圈的稳定循环。这一宽温度使用范围为将来铝离子电池在极端温度条件下的使用打下了基础。同时，具有较好的柔性和安全性，在10,000次弯折后容量完全保持；即使电芯暴露于火焰中时也不会起火或爆炸，展现出了其在可穿戴柔性电子器件中的应用潜力。这种倍率性能和循环寿命远远超过其他电池材料，可实现具有比超级电容器能量密度更高、倍率性能和循环寿命相当的铝-石墨烯“超级”电池。

这一成果的取得也得益于高超团队之前的积累和对前人工作的学习借鉴。在铝-石墨烯电池领域，高超团队提出了正极石墨烯材料的“无缺陷”设计原理（Adv.Mater.2016,29,1605958;Adv.EnergyMater.2017,7,1700051），发现了铝负极的枝晶现象及其抑制机理（ACSAppl.Mater.&Inter.,2017,9,22628），设计制备了高柔性高导热石墨烯组装膜（Adv.Mater.2017,29,1700589）。在铝离子电池研究领域，斯坦福大学的戴宏杰教授做出了开创性工作，首先实现了比容量较高且可长循环的铝离子电池（Nature,2015,520,324）。早前，中科大余彦教授在研究钠离子电池时提出了“三连续”的电极材料设计思路（Adv.Mater.2016,28,2409），实现了超快长循环钠离子电池。

这些进步使铝电池在高功率能量存储系统方面的应用前景更加光明。但也要看到，目前的正极比容量、输出电压及面负载量还有较大的提升空间，能量密度不足以与锂离子电池相匹敌，今后还需在保持高功率密度的基础上进一步提高能量密度。此外，目前经典的离子液体电解质价格较贵，如果可以找到更廉价的电解质，铝离子电池的商业前景将更宽广。

此篇工作完成之际恰逢浙江大学120周年校庆，作者们满怀对母校的感激之情，制作了独特的样品展示：让柔性铝-石墨烯电池点亮了印有"ZJU120"的LED灯串，用自己的科研成果为母校120周岁庆生。