中科院唐永炳研究员及其研究团队的最新成果「新型高能量密度铝-石墨双离子电池」技术创新性如何？

  2016-03-31

  谢谢 @zola rao 指正双离子电池和 al 离子电池还是不一样的。他比我写得更详细。请开车去赞。

  2016-03-30

  首先，这不是一项新技术，而是一个被称为铝离子电池的审稿人。Lin 等 (2015) 发表An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery”(Nature,520,324-328 | doi:10.1038/ nature14340) 的研究结果是，以铝离子为基础的二次电池提供了低成本、低易燃性和three-electron-redox 能量密度高。

  在这项研究中，铝离子电池的负极材料是铝 (aluminum)、石墨 是正极材料(grapgite)，工作原理是通过电池内负极铝离子与正极石墨材料之间的反应产生电能，电解质使用不可燃的离子液体。放电电压可达 2V、能量密度 70 mAh╱g、库伦效率 (Coulombic Efficiency，CE，电池放电量与同中，电池放电量与充电量比为 98%，电流密度为 4000 mA╱g 的条件下，充电速度可快达一分钟以内，且循环寿命高达 7,500 次。

  正极材料是 3D 石墨泡沫 (graphitic-foam) 型态，厚度很薄 (~17 μm) 可以保持整体柔韧性。该结构孔隙充足均匀，有利于离子通过，加快铝离子在正负极之间的通信，提高反应速率，降低电池内阻。这种正极材料是铝离子电池赶上锂离子电池的重要因素。负极材料为柔性铝箔 (~15-250μm)，铝离子电池电池的实际应用范围更广。

  铝离子电池的规格相较过往有大幅的进展，并具备锂离子电池没有的优点：铝离子电池的循环寿命 7,500 次远高于锂离子电池的 1,000 次、每个铝离子携带电荷是锂离子的三倍、铝材料较锂材料便宜、铝箔可挠等。然而，铝离子电池提供的电压离日常多数电子产品所使用的 5V 还有一段距离，电池容量还没有达到锂离子标准 (约为锂离子电池的三分之一)。

  反观，Zhang 等 (2016) 发表A Novel Aluminum–Graphite Dual-Ion Battery”(AdvancedEnergy Materials | doi: 10.1002/aenm. View) 报道了一种新型的低成本铝石墨双离子电池。电池性能约 100mAh╱g 可逆容量和 200 次充放电循环后 88% 的容量保持率。-估计石墨电池组在功率密度 1，200W╱kg 可达 150Wh╱kg 能量密度，比大多数商用锂离子电池高50%左右。

  是本文的负极Al 代替石墨，这样在选择电解液时就不能使用 EC，而显然 EMC 电解液对高压的性能肯定是优于 EMC 的。CV 可以看到电压平台约从 4-5V，其本质不是铝离子电池，而是应该分为双离子电池。铝离子电池可以理解为 AlCl4- 在这里扩散和运输 dual-ion battery 应该是 Li 和 PF6-，电解质中的离子也是活性物质的一部分。与锂离子电池中的电解质层不同，双离子电池中的电解质可以看作是活性物质的一部分，需要提供足够的离子来反应。

  从 70mAh╱g 提升到 100mAh╱g，且可以从 2V 提升到 3.8-4.6V 是一个亮点。然而，库伦的效率和循环寿命越来越差，这意味着商业化还有很长的路要走。在过去的30年里，铝离子电池的研究经常遇到以下问题：1）. 使用一段时间后，正极材料破裂，电池放电电压过低(0.55V)；2). 电容行为不稳定 (1.1~0.2V 或 1.8-0.8V)；3). 电容寿命过低，在 100 循环 (cycle) 内下降程度广为 26-85%；以及4). 其循环寿命 (cycle life) 小于 100 周期等。

  铝电池的优点:1). 快:充电一分钟；2). 耐久性:可充放电1万次，远超锂电池1000次；3). 安全:可凹折稳定，可钻透铝电池，不仅不着火，还能操作。

  铝电池的缺点:1). 电压：铝电池电压约 2V，与智能手机相比，锂电池的一般电压 3.7V 或 4V 低；2). 体积：电池体积不能小于锂电池，目前无法替代手机电池。

  台湾工业研究院预计将于2018年大规模上市。该团队预计今年将完成电源 200W 电池提供可再生能源和大型储能装置的使用潜力。中国科学院不能落后！