聚·学术 | 高超教授团队在铝-石墨烯电池研究方面取得新进展

烯碳资讯 · 公众号 · · 2017-02-24 14:55

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导读

铝离子电池一般由金属铝箔负极、碳正极及铝离子电解液组成，具有成本低、不可燃和高负极比容量等优点。目前铝离子电池存在的主要问题在于正极比容量低，导致电池的能量密度不高，倍率性能欠佳。故寻找一种高性能正极材料是推进铝离子电池技术快速发展的关键所在。

为此，高超教授团队以富有特色的石墨烯气凝胶（Adv. Mater. 2013, 25, 2554）作为铝电池正极材料开展了深入研究，获得了高性能铝-石墨烯电池。单层氧化石墨烯冷冻干燥制得气凝胶，经高温热还原，得到无晶格缺陷的石墨烯气凝胶。压制成膜后，作为正极材料组装成铝-石墨烯电池。这样的正极材料避免了石墨化过度堆叠，保留了少层石墨烯结构及微纳孔隙，既显著降低了内阻，又便于电解质快速渗透传输。同时，由于原材料廉价易得，制造工艺简便可控，这种正极材料有望规模化生产。

石墨烯正极材料样品展示

所得石墨烯正极材料比容量达到100 mAh/g，中值输出电压1.95V, 循环25000次后仍可保持97%的容量。同时，其倍率性能优异，在没有降低比容量的条件下，可承受50A/g的充电电流密度，即7.2秒内充满电。与超级电容器相比，石墨烯-铝电池的功率密度相当，能量密度更大。另外，研究团队通过原位电化学研究证明了石墨烯结构中的缺陷成分无法作为离子的活性嵌层位点，且循环过程中缺陷的产生会导致电化学性能的降低。由此提出了石墨烯正极材料设计的“无缺陷原则”，即石墨烯缺陷越少，电化学性能越好，为铝-石墨烯电池性能的进一步提升提供了新思考。

石墨烯气凝胶正极的电化学性能

石墨烯正极材料的无缺陷设计思路

这些进步使铝电池在高功率能量存储系统方面的应用前景更加光明。但也要看到，目前的正极比容量及输出电压仍然相对较低，能量密度不足以与锂离子电池相匹敌，今后还需要在保持高功率密度的基础上进一步提高能量密度。

铝-石墨烯电池的耐火性及柔性展示

论文发表于期刊Advanced Materials (IF=18.96) ，第一作者为高超教授团队的博士生陈皓。

Hao Chen, Fan Guo, Yingjun Liu, Tieqi Huang, Bingna Zheng, Nimrodh Ananth, Zhen Xu, Weiwei Gao, Chao Gao. A Defect-Free Principle for Advanced Graphene Cathode of Aluminum-Ion Battery. Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201605958.