石墨烯基新型長壽命鋁離子電池研究新進展

　　寧波材料所動力鋰離子電池工程試驗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-sizedfew-layergrapheneenablesanultrafastandlong-lifealuminum-ionbattery為題在線發表于《先進能源材料》

　　電化學儲能技術是處理電動車與可再生能源并網發電的關鍵。以有機溶劑為電解液的鋰電池在能量密度上具有優點，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勢，在儲能范疇中具有緊要使用前景。自2013年以來，中國科學院寧波材料技術與工程研究所動力鋰離子電池工程試驗室前瞻布局了非鋰電池的新概念電池研究，在水系離子新概念電池基礎研究上取得了系列進展(ScientificReports2013,3,1946;ChemSusChem2014,7,2295;AdvancedEnergyMaterials2015,5,1400930;ScientificReports2015,5,18263;NatureCommunications2016,7,11982)。但水系離子電池的循環壽命比較有限，一般小于1000次，難以滿足規模儲能的需要。2015年美國斯坦福大學教授戴宏杰在Nature(2015,520,324)報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，而引起學界和工業界的廣泛關注。

　　受該工作啟發，寧波材料所動力鋰離子電池工程試驗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-sizedfew-layergrapheneenablesanultrafastandlong-lifealuminum-ionbattery為題在線發表于《先進能源材料》（AdvancedEnergyMaterials，DOI:10.1002/aenm.201700034）。在該工作中，科研人員采用量產的多層石墨烯（由寧波墨西科技有限公司加工提供）為柔性正極、金屬鋁為負極、離子液體為電解液，構建出具有超長循環壽命和超高倍率性能的2V鋁離子電池。研究發現二維片狀石墨類負極材料的厚度（層數）和橫向尺寸均對AlCl4-離子的嵌入行為有緊要影響。相對于層數達千層的鱗片石墨，多層石墨烯的層數極少（10層以下），可以顯著降低AlCl4-離子嵌入和擴散的活化能，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AlCl4-離子的重復嵌入和脫出具有更強的耐受能力，從而讓電池表現超長的循環壽命，充放電循環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表征還進一步揭示了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機制，即插層離子誘導的四階和五階結構變化機制。該研究工作不僅對鋁離子電池中石墨類正極材料的選擇具有緊要指揮意義，還對于發展實用化石墨烯基新型長壽命儲能電池具有較大的學術價值。

　　上述研究工作得到了中科院重點部署項目、中科院青促會項目、國家自然科學基金和浙江省自然科學基金的資助。

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