斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)明了第一批快速充電、更持久且更廉價(jià)的高性能鋁電池。研究人員表示這一最新科技提供了現(xiàn)在普遍使用的很多商業(yè)電池的更安全替代品。

“我們研發(fā)了一種可充電的鋁電池，它可以取代現(xiàn)有的存儲(chǔ)設(shè)備，例如對(duì)環(huán)境有害的堿性電池，或者有著火風(fēng)險(xiǎn)的鋰離子電池。”斯坦福大學(xué)化學(xué)教授戴宏杰(Hongjie Dai)這樣說道。“我們研發(fā)的最新電池不會(huì)著火，哪怕你鉆透電池。”

戴和他的同事的這項(xiàng)創(chuàng)新性鋁離子電池研究被發(fā)表在4月6日的期刊《自然》上。鋁成本低，可燃性低，且具有高電荷存儲(chǔ)能力，因此一直是用作電池頗具吸引力的材料。在過去幾十年，研究人員致力于研發(fā)商業(yè)可行的鋁離子電池，卻一直以失敗告終。其中面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)便是找到在經(jīng)歷了反復(fù)充電和放電后仍能夠產(chǎn)生足夠電壓的材料。

鋁離子電池包含兩個(gè)電極：一個(gè)由鋁制成的帶負(fù)電陽極和一個(gè)帶正電石墨陰極。

“人們嘗試過不同的材料用作陰極，”戴說道。“我們意外的發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題的簡單解決辦法便是使用石墨，石墨本質(zhì)上就是碳。在我們的研究里，我們發(fā)現(xiàn)了一些類型的石墨材料可以產(chǎn)生非常好的特性。”

斯坦福研究小組將實(shí)驗(yàn)性的電池安裝了鋁陽極和石墨陰極，同時(shí)在一個(gè)靈活的聚合物包裹的口袋里裝滿離子液體電解質(zhì)。“這個(gè)電解質(zhì)其實(shí)就是室溫下的液態(tài)鹽，因此它非常安全。”

研究合作作者、斯坦福大學(xué)研究生龔明(Ming Gong)這樣說道。鋁電池比傳統(tǒng)的鋰離子電池更加安全，后者被廣泛用于上百萬臺(tái)筆記本電腦和手機(jī)里，戴補(bǔ)充說道。“鋰離子電池可能是火災(zāi)災(zāi)害。”

例如，戴提到了美國和達(dá)美航空公司近期決定禁止向客機(jī)運(yùn)輸大量鋰電池。“在我們的研究里，視頻顯示你鉆透了鋁電池的口袋后它還能夠繼續(xù)工作一段時(shí)間且不會(huì)著火。”戴說道。“相比之下，鋰電池很可能以無法預(yù)料的方式著火——在空中，在汽車?yán)锘蛘咴谀愕目诖铩?/p>

除了安全問題，我們還在鋁電池性能方面取得了重大的突破性進(jìn)展。”其中一個(gè)例子便是超快充電。智能手機(jī)用戶都知道鋰離子電池充電需要數(shù)小時(shí)，但斯坦福研究小組表示“利用(他們的)鋁電池模型，電池充電時(shí)間急劇減少至一分鐘”。

耐用性是另外一個(gè)重要因素。其它實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的鋁電池在100次充電-放電循環(huán)后就壽終正寢了。但斯坦福小組研發(fā)的電池在經(jīng)歷7500次充電-放電循環(huán)后仍保證電池性能不下降或丟失。“這是首次研發(fā)經(jīng)歷上千次循環(huán)后仍保持穩(wěn)定性的超快鋁離子電池。”

研究作者這樣寫道。相比之下，典型的鋰離子電池只能維持1000次充電-放電循環(huán)。“鋁電池的另一個(gè)特征便是靈活性。”龔說道。“你可以彎曲或者折疊它，因此它具有應(yīng)用于柔性電子設(shè)備(flexible electronic devices)的潛力。此外，鋁還是比鋰更廉價(jià)的金屬。”

除了小型電子設(shè)備，鋁電池還可被用于電網(wǎng)里存儲(chǔ)可再生能源。“電網(wǎng)需要具有較長循環(huán)壽命的電池以快速存儲(chǔ)和釋放能量，”戴解釋道。

“我們最新未發(fā)表的數(shù)據(jù)顯示鋁電池可以被再充電上萬次。很難想象為了電網(wǎng)存儲(chǔ)而建造一個(gè)巨大的鋰離子電池。”鋁離子技術(shù)還能夠提供一次性堿性電池的更環(huán)境友好的替代產(chǎn)品。“上百萬名消費(fèi)者使用1.5伏的AA和AAA電池，我們的可充電鋁電池可以產(chǎn)生2伏電壓。這比任何鋁電池可以產(chǎn)生的電壓都要高。”但戴表示還需要更多改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)與鋰離子電池的電壓相匹配。

“我們的電池只能達(dá)到典型鋰電池電壓的一半，但改進(jìn)陰極材料應(yīng)該可以最終增加電壓和能量密度。這樣的話，我們創(chuàng)造的電池將滿足你設(shè)想的電池的一切特性：不昂貴的電極、安全、高速充電、靈活和較長壽命。我已經(jīng)看到了這類新電池的雛形，這真是令人興奮。”

這項(xiàng)研究其它研究學(xué)者還包括來自臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院的訪問科學(xué)家林夢(mèng)昌(Meng-Chang Lin)、湖南大學(xué)的盧炳安(Bingan Lu )和博士后學(xué)者吳英鵬(Yingpeng Wu)。

其它作者包括斯坦福大學(xué)的王遞延(Di-Yan Wang)、關(guān)明云(Mingyun Guan), 邁克爾·安吉爾(Michael Angell)、陳長鑫( Changxin Chen)和楊江( Jiang Yang);以及臺(tái)灣國立師范大學(xué)的黃冰喬(Bing-Joe Hwang)。

這項(xiàng)研究得到了美國能源部、臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院、斯坦福大學(xué)全球氣候和能源項(xiàng)目、斯坦福普雷科特能源研究所和臺(tái)灣教育部的支持。