以石墨烯为电极的铝离子电池研究

电化学储能技术是处理电动汽车与可再生能源并网发电的关键。以有机溶剂为电解液的锂离子电池在能量密度上具有优势，但存在安全隐患和锂资源有限的问题。相比之下，水系非锂离子（如钠离子、钾离子、锌离子、镁离子等）电池具有高安全和低成本等优点，在储能领域中具有重要应用远景。自2013年以来，中国科学院宁波资料技术与工程研讨所动力锂电池工程实验室前瞻布局了非锂离子电池的新概念电池研讨，在水系离子新概念电池基础研讨上取得了系列进展。但水系离子电池的循环寿数比较有限，一般小于1000次，难以满意规模储能的需要。

受2015年美国斯坦福大学教授戴宏杰在Nature(2015,520,324)报道了一种新式铝离子电池的启发，宁波资料所动力锂电池工程实验室展开了以石墨烯为电极的铝离子电池研讨，在该工作中，科研人员选用量产的多层石墨烯为柔性正极、金属铝为负极、离子液体为电解液，构建出具有超长循环寿数和超高倍率性能的2V铝离子电池。研讨发现二维片状石墨类负极资料的厚度（层数）和横向尺度均对AlCl4-离子的嵌入行为有重要影响。相对于层数达千层的鳞片石墨，多层石墨烯的层数极少（10层以下），可以明显降低AlCl4-离子嵌入和扩散的活化能，使得该电池具有超高的倍率性能，因此可在1分钟内完结充放电。另一方面，由更大尺度的多层石墨烯制作的电极，因为具有更好的柔韧性和石墨化度，对AlCl4-离子的重复嵌入和脱出具有更强的耐受才能，然后让电池表现超长的循环寿数，充放电循环10000次后容量简直无衰减。除此之外，该研讨工作通过一系列的精细表征还进一步揭示了AlCl4-离子在多层石墨烯、石墨等二维石墨类正极资料的插层化学机制，即插层离子诱导的四阶和五阶结构变化机制。该研讨工作不仅对铝离子电池中石墨类正极资料的挑选具有重要指导意义，还对于发展实用化石墨烯基新式长寿数储能电池具有较大的学术价值。

上述研讨工作得到了中科院要点部署项目(KGZD-EW-T08-2)、中科院青促会项目(2017341)、国家自然科学基金(51404233)和浙江省自然科学基金(LY15B030004)的资助。