電化學(xué)儲能技術(shù)是解決電動汽車與可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵。以有機(jī)溶劑為電解液的鋰離子電池在能量密度上具有優(yōu)勢，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(yōu)點，在儲能領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用前景。
自2013年以來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所動力鋰電池工程實驗室前瞻布局了非鋰離子電池的新概念電池研究，在水系離子新概念電池基礎(chǔ)研究上取得了系列進(jìn)展 (Scientific Reports 2013, 3, 1946; ChemSusChem 2014, 7, 2295;Advanced Energy Materials 2015, 5, 1400930; Scientific Reports 2015, 5, 18263; Nature Communications 2016, 7, 11982)。
但水系離子電池的循環(huán)壽命比較有限，一般小于1000次，難以滿足規(guī)模儲能的需要。2015年美國斯坦福大學(xué)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(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。
受該工作啟發(fā)，寧波材料所動力鋰電池工程實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-sized few-layer graphene enables an ultrafast and long-life aluminum-ion battery 為題在線發(fā)表于《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials，DOI: 10.1002/aenm.201700034）。
在該工作中，科研人員采用量產(chǎn)的多層石墨烯（由寧波墨西科技有限公司生產(chǎn)提供）為柔性正極、金屬鋁為負(fù)極、離子液體為電解液，構(gòu)建出具有超長循環(huán)壽命和超高倍率性能的2 V鋁離子電池。研究發(fā)現(xiàn)二維片狀石墨類負(fù)極材料的厚度（層數(shù)）和橫向尺寸均對AlCl4-離子的嵌入行為有重要影響。相對于層數(shù)達(dá)千層的鱗片石墨，多層石墨烯的層數(shù)極少（10層以下），可以顯著降低AlCl4-離子嵌入和擴(kuò)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(nèi)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(fù)嵌入和脫出具有更強(qiáng)的耐受能力，從而讓電池表現(xiàn)超長的循環(huán)壽命，充放電循環(huán)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(xì)表征還進(jìn)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(xué)機(jī)制，即插層離子誘導(dǎo)的四階和五階結(jié)構(gòu)變化機(jī)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重要指導(dǎo)意義，還對于發(fā)展實用化石墨烯基新型長壽命儲能電池具有較大的學(xué)術(shù)價值。
上述研究工作得到了中科院重點部署項目(KGZD-EW-T08-2)、中科院青促會項目(2017341)、國家自然科學(xué)基金(51404233)和浙江省自然科學(xué)基金(LY15B030004)的資助。
該研究工作第一作者張樂園目前正在美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校攻讀博士學(xué)位。
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