申报单位：浙江大学高分子科学与工程学系
让世界更美丽，人类更健康，未来可持续，需要发展清洁可再生能源和高效储能系统。目前使用的锂离子和铅酸电池储能体系具有资源少、不安全、寿命短、毒性大、污染重等问题，迫切需要探寻新电池技术。最近发展起来的长寿命铝离子电池，以三电子金属铝为负极，具有资源丰富、负极比容量高、安全无毒等优势，但存在正极比容量低、电池能量密度不高、工作机理不明等问题。为此，本项目提出铝-石墨烯超级电池概念，构建石墨烯宏观组装膜高性能正极，创立“三高三连续”和“无缺陷”正极设计原则，发现负极枝晶现象及抑制机理，实现了超长循环寿命、超高倍率性、超宽工作温度区间、安全且耐弯折等优异综合性能，为铝离子电池的科学研究和实际应用奠定了坚实基础。通过提高插层阶数，使石墨烯膜正极的比容量达到120 mAh g-1，较前人报道的稳定纪录提高80%；在250,000次充放电循环后仍能保持91%的比容量，这一循环寿命是传统电池的100-1000倍，按每天充放电6次计算，可以使用100年。电池的倍率性能优异，在最高400Ag-1 的电流密度下(3333 C, 1.1秒内充满电)仍具有111mAh g-1的可逆比容量。电池可在-40到120摄氏度下工作，为极端环境下的储能及动力电源应用打下了基础。成果发表于Science Advances, Advanced Materials等期刊，受到国内外媒体广泛关注。
急着出门办事，电瓶车却还要充很久才满电；掏出手机想在冰天雪地中拍照，手机却自动黑屏关机了；用了两年的平板电脑，怎么也充不进电……这些生活中的用电尴尬，科学家们正在努力想办法克服。
近日，浙江大学高分子科学与工程学系高超团队研制出新型铝-石墨烯电池，短短几秒便可充电完成，循环充放25万次后依然电力十足，并展现出耐热、抗冻，反复弯折不影响性能等优异特性，显示出广泛的应用前景。
12月15日，相关论文Ultrafast all-climate aluminum-graphene battery with quarter-million cycle life发表于Science Advances，第一作者为团队的陈皓博士。
耐热耐冻耐弯折的“长寿”电池
图：柔性铝-石墨烯电池点亮了“ZJU 120”LED灯串
一片片泛着金属光泽的深灰色薄膜，就是团队最新研发的石墨烯-铝电池。它的正极是石墨烯薄膜，负极是金属铝。把两片电池串联在一起，就能点亮一组LED灯。经过测试，石墨烯正极的比容量达到120mAh/g(毫安时每克)，在25万次充放电循环后仍能保持91%的容量；同时其倍率性能优异，快速充电可1.1秒内充满电，仍具有111mAh/g的可逆比容量。
课题组的硕士生徐晗彦解释，“比容量”和“倍率”是两个评判电池性能的关键指标，其中，比容量可以理解为单位质量或单位体积电池的电量。比容量越大，储电量越高。而倍率则代表快速和正常两种充电模式下电量的差异。一般说来，快速充电充满状态下的电量要低于正常充电模式下充满的电量，两个数值越接近，就说明电池的倍率性能越好.
左图：电池在冰盐浴中工作；右图：电池在高温下不燃烧
同时，这种电池可以在零下40摄氏度到120摄氏度的环境中工作，可谓既耐高温，又抗严寒。在零下30摄氏度的环境中，这种新型电池能实现1000次充放电性能不减，而在100度的环境中，它能实现4.5万次稳定循环。这种新型电池是柔性的，将它弯折一万次后，容量完全保持；而且，即使电芯暴露于火焰中时也不会起火或爆炸。
“铝-石墨烯‘超级’电池，倍率性能和循环寿命远远超过其他电池，比超级电容器具有更高的能量密度，相当的倍率性能和循环寿命。”高超说。
铝电池体系迈出一大步
铝是地壳中含量最丰富的金属元素，廉价安全，在电池制备中是一种理想的负极材料。但是多年来，铝电池的整体性能仍然比不上锂离子电池和超级电容器。关键问题是要设计出能与铝匹配、高效工作的正极材料，才能真正发挥出色的电化学性能。
2015年，斯坦福大学的戴宏杰课题组在Nature发表工作，采用高温裂解石墨泡沫来制作正极，首次实现了比容量较高且可长循环的铝离子电池。高超课题组受此启发，尝试用石墨烯膜来制作铝电池的电极。
经过一年半摸索和积累，高超团队提出了石墨烯正极材料的“三高三连续”设计原则。
图：“三高三连续”设计原则
“电池的性能，关键取决于电子和离子在正极和负极之间‘奔跑’的状态。”高超说，电极材料要让尽可能多的电子和离子畅通地奔跑，或者快速‘归位’。如果路不够多或者道路拥挤，性能就会受到影响。“三高”指微观结构的高质量、高取向、高孔道率；“三连续”指宏观结构上有连续的导电网络、连续的离子传输通道和连续的离子嵌层通道。
这一设计原则让铝-石墨烯电池的性能向前迈出一大步。之前，铝电池的比容量一直在60mAh/g左右徘徊，可反复充放电次数也在数千次以内。
商业化仍有挑战
高超课题组的新型电池给我们展示了美好的前景：比如，手机充电数秒就完成，在极寒和高温环境中能自如工作，不用担心电池爆炸，不用担心电池老化。但是，高超说，这离真正商业化还有很大的挑战，需要更多科学家的努力和投入才能实现。
高超说，目前的正极比容量、输出电压及面负载量还有较大的提升空间，能量密度不足以与锂离子电池相匹敌，今后还需在保持高功率密度的基础上进一步提高能量密度。此外，目前经典的离子液体电解质价格较贵，如果可以找到更廉价的电解质，铝离子电池的商业前景将更宽广。
论文链接：http://advances.sciencemag.org/content/3/12/eaao7233
课题组链接：http://polymer.zju.edu.cn/gc/index.php
负责人高超为浙江大学求是特聘教授、博士生导师、高分子科学研究所所长，浙江省科协第十届委员会委员、常委。在Nat. Commun.，Adv. Mater.，Acc. Chem. Res.等期刊发表SCI论文180余篇，他引10000余次，已授权中国发明专利42项。担任Nano-Micro Lett.、《中国科学：化学》、《科技导报》等期刊编委；入选第二批国家“万人计划”科技创新领军人才、国家杰出青年科学基金获得者、“浙江省151人才工程”第一层次培养人员；获得“QIAN Baojun Fiber Award, Young Scholar”、“Gold Kangaroo World Innovation Award”、“2017年度纺织优秀博士学位论文奖”指导教师等荣誉。
团队拥有教授1名，“百人计划”特聘研究员1名，副教授1名，科研助理2名，博士后10名，博士生12名，硕士生5名。团队聚焦石墨烯，建有组装 (A. Lab)、复合(C. Lab)、能源(E. Lab) 3个实验室，正奋力创建世界一流团队。
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