“我们已经开发出了一种可充电铝电池,它能够替代目前正在使用的碱性蓄电池和锂离子电池,碱性蓄电池会给环境造成一定破坏,而锂离子电池有时会发生突然起火事故。”斯坦福大学化学教授Hongjie Dai表示,“我们开发出的新电池即便是你凿穿它,也不会着火。”
成本低+安全
铝是制造电池的一种天然材质,主要是因为它的成本低,不易燃烧,且储能量高。在过去十几年时间,研究人员曾尝试开发一种商用铝离子电池,但是都未成功,其中最大的挑战就是很难找到一种能够在经过了反复充电、放电周期后,还能提供充足电压的材质。
一块铝电池包含两个电极:由铝离子组成的带负电荷的阳极和阴极。“人们曾尝试为电池阴极提供很多种不同材质。我们偶然发现,一个很简单的解决方案就是使用石墨,它的基本构成就是碳。在我们的研究中,我们确认了几种类型的石墨物质,它们的表现都很不错。”
在测试电池中,斯坦福研究团队在电池中放置了铝阳极和石墨阴极,并在柔性聚合物加入了离子液体电解质(ionic liquid electrolyte)。
“电解质从本质上讲就是盐,只不过在常温条件下以液体状况存在,因此十分安全。”斯坦福研究人员Ming Gong表示。
充满电仅需1分钟
“相比目前应用在笔记本和手机上的锂离子电池,铝电池更加的安全。”Hongjie Dai表示。锂离子电池存在火灾隐患,比如,最近美国联合航空公司、达美航空公司做出决定,禁止在乘坐乘客飞机上大量运输锂离子电池。
“在我们的研究中,我们展示了一段视频:即便是你凿穿铝电池,它仍旧会继续工作一会,且不会着火。”Dai表示,“但是如果锂离子使用不当,会在空气中,汽车里,或者口袋里发生着火。除了安全方面,我们还在铝电池性能方面取得了重要突破。”
比如,超快速充电。智能手机用户都知道,我们需要数小时间才能将一块锂离子电池充满电。但是,斯坦福团队表示,他们所开发的铝电池充满电的时间仅需要1分钟。
电池寿命也是一个重要因素。其他科研实验室开发出的铝电池在经过了仅100次充电、放电周期后,就没法使用了。但是斯坦福研究人员开发的铝电池能够持续超过7500次充电、放电周期,且不损电池蓄电能力。“这是第一款能够达到数千次充电、放电周期的超快速充电铝电池。”Dai 表示。
与之相对比的是,一块常见锂离子电池的充电周期大约在1000次左右。
“铝电池的另一个重要特点就是可弯曲性,你可以将其完全、折叠,因此这类电池可以应用在柔性电子设备中。并且,相比较锂金属,铝的成本更低。”Gong表示。
其他应用
Dai表示,除了小型电子设备之外,铝电池还可以用来存储输电网络上的可再生能量。
“输电网络需要一种寿命更长的电池,并且可以快速的储存、释放电能。”他解释道,“我们还未发表的最新数据显示,一块铝电池可以充电上万次,很难想象一块锂离子能够做到这一点。”
Dai表示,铝电池技术同时也是一种环保解决方案,能够替代一次性碱性电池。他表示,"现在,很多消费者使用的是1.5 V电压AA和AAA电池,我们的可充电铝电池能够产生大约2V的电压,这一数字高于其他铝电池。但是,铝电池还需要做进一步的改进才能达到了锂离子电池电压。”
"我们的电池产生的电压是普通锂离子电池的一半,但是通过改进电池阴极材质,最终会提升电池电压和能量密度。另外,我们所开发的铝电池还拥有一些独一无二的优势:成本低,安全,充电速度快,柔性,生命周期长等。”Dai表示。
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