太陽能、風(fēng)能等清潔可再生能源存在不穩(wěn)定、間歇性等問題，需要與儲能電池配合使用，F(xiàn)有的電池儲能系統(tǒng)仍存在諸多問題，如鋰離子電池存在資源稀缺、安全性不高等問題，鉛酸電池存在循環(huán)壽命短、能量密度低、毒性大、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，迫切需要發(fā)展高豐度原料、高性能電極、高安全電池新體系。長循環(huán)壽命鋁離子電池是新近發(fā)展起來的以鋁金屬為負(fù)極，以富含四氯化鋁離子的室溫離子液體或熔融鹽作為電解液的一種新型儲能系統(tǒng)，具有負(fù)極比容量高、資源豐富、輕質(zhì)安全等優(yōu)勢，前景廣闊。鋁離子電池潛力巨大，尋找廉價電解液和優(yōu)質(zhì)碳正極材料是大家目前所聚焦解決的兩個關(guān)鍵問題。
浙江大學(xué)高超教授課題組在前期工作的基礎(chǔ)上，提出了一種低成本鋁離子電池體系：膨脹石墨正極+鹽酸三乙胺電解液。新電池體系采用商業(yè)化的膨脹石墨作為正極，通過簡單的壓制成膜，在5 A g-1的電流密度下，正極容量可以達(dá)到78.3 ± 4.1 mAh g-1 (156.6 ± 8.2 mAh cm-3)，并可以循環(huán)30 000次（容量保持率77.5%）。通過涂覆方法（與現(xiàn)有鋰離子電池電極制備工藝兼容），膨脹石墨正極膜的面負(fù)載可以達(dá)到6.16 mg cm-2，在1 A g-1的電流密度下，正極容量達(dá)到101mAh g-1 (207 mAh cm-3)，能穩(wěn)定循環(huán)11 500次（容量保持率95.5%）。這項(xiàng)工作的發(fā)表為鋁離子電池的商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。
圖1.膨脹石墨、膨脹石墨-鹽酸三乙胺體系鋁離子電池軟包驗(yàn)證圖
圖2.涂覆法膨脹石墨正極的長循環(huán)性能
該項(xiàng)工作發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了，新體系中陰離子沉積對鋁離子電池容量的額外貢獻(xiàn)，補(bǔ)充了現(xiàn)有鋁離子電池的陰離子插層理論。研究團(tuán)隊正在努力，進(jìn)一步提高正極材料的容量，以優(yōu)化新體系的電化學(xué)性能。
圖3.膨脹石墨-鹽酸三乙胺電池體系CV曲線，陰離子插層和沉積機(jī)理示意圖
上述工作以“Commercialexpanded graphite as high-performance cathode for low-cost aluminum-ion battery”為題發(fā)表在最新一期Carbon上，由團(tuán)隊董曉忠博士和碩士生徐晗彥共同完成。團(tuán)隊前期工作包括：鋁離子電池石墨烯正極的“無缺陷”設(shè)計原則（Adv. Mater. 2016, 29, 1605958; Adv. Energy Mater.2017, 7, 1700051），“三高三連續(xù)”設(shè)計原則（Sci. Adv. 2017, 3, eaao7233），鋁枝晶現(xiàn)象及其抑制機(jī)理（ACS Appl. Mater. & Inter., 2017, 9, 22628），低成本電解液體系（Energy Storage Materials 2018, DOI: 10.1016/j.ensm.2018.08.003）。
