斯坦福大學的科學家們發(fā)明了第一批快速充電、更持久且更廉價的高性能鋁電池。研究人員表示這一最新科技提供了現(xiàn)在普遍使用的很多商業(yè)電池的更安全替代品。

“我們研發(fā)了一種可充電的鋁電池，它可以取代現(xiàn)有的存儲設備，例如對環(huán)境有害的堿性電池，或者有著火風險的鋰離子電池。”斯坦福大學化學教授戴宏杰(Hongjie Dai)這樣說道。“我們研發(fā)的最新電池不會著火，哪怕你鉆透電池。”

戴和他的同事的這項創(chuàng)新性鋁離子電池研究被發(fā)表在4月6日的期刊《自然》上。鋁成本低，可燃性低，且具有高電荷存儲能力，因此一直是用作電池頗具吸引力的材料。在過去幾十年，研究人員致力于研發(fā)商業(yè)可行的鋁離子電池，卻一直以失敗告終。其中面臨的一個重要挑戰(zhàn)便是找到在經(jīng)歷了反復充電和放電后仍能夠產(chǎn)生足夠電壓的材料。

鋁離子電池包含兩個電極：一個由鋁制成的帶負電陽極和一個帶正電石墨陰極。

“人們嘗試過不同的材料用作陰極，”戴說道。“我們意外的發(fā)現(xiàn)這個問題的簡單解決辦法便是使用石墨，石墨本質上就是碳。在我們的研究里，我們發(fā)現(xiàn)了一些類型的石墨材料可以產(chǎn)生非常好的特性。”

斯坦福研究小組將實驗性的電池安裝了鋁陽極和石墨陰極，同時在一個靈活的聚合物包裹的口袋里裝滿離子液體電解質。“這個電解質其實就是室溫下的液態(tài)鹽，因此它非常安全。”

研究合作作者、斯坦福大學研究生龔明(Ming Gong)這樣說道。鋁電池比傳統(tǒng)的鋰離子電池更加安全，后者被廣泛用于上百萬臺筆記本電腦和手機里，戴補充說道。“鋰離子電池可能是火災災害。”

例如，戴提到了美國和達美航空公司近期決定禁止向客機運輸大量鋰電池。“在我們的研究里，視頻顯示你鉆透了鋁電池的口袋后它還能夠繼續(xù)工作一段時間且不會著火。”戴說道。“相比之下，鋰電池很可能以無法預料的方式著火——在空中，在汽車里或者在你的口袋里。

除了安全問題，我們還在鋁電池性能方面取得了重大的突破性進展。”其中一個例子便是超快充電。智能手機用戶都知道鋰離子電池充電需要數(shù)小時，但斯坦福研究小組表示“利用(他們的)鋁電池模型，電池充電時間急劇減少至一分鐘”。

耐用性是另外一個重要因素。其它實驗室研發(fā)的鋁電池在100次充電-放電循環(huán)后就壽終正寢了。但斯坦福小組研發(fā)的電池在經(jīng)歷7500次充電-放電循環(huán)后仍保證電池性能不下降或丟失。“這是首次研發(fā)經(jīng)歷上千次循環(huán)后仍保持穩(wěn)定性的超快鋁離子電池。”

研究作者這樣寫道。相比之下，典型的鋰離子電池只能維持1000次充電-放電循環(huán)。“鋁電池的另一個特征便是靈活性。”龔說道。“你可以彎曲或者折疊它，因此它具有應用于柔性電子設備(flexible electronic devices)的潛力。此外，鋁還是比鋰更廉價的金屬。”

除了小型電子設備，鋁電池還可被用于電網(wǎng)里存儲可再生能源。“電網(wǎng)需要具有較長循環(huán)壽命的電池以快速存儲和釋放能量，”戴解釋道。

“我們最新未發(fā)表的數(shù)據(jù)顯示鋁電池可以被再充電上萬次。很難想象為了電網(wǎng)存儲而建造一個巨大的鋰離子電池。”鋁離子技術還能夠提供一次性堿性電池的更環(huán)境友好的替代產(chǎn)品。“上百萬名消費者使用1.5伏的AA和AAA電池，我們的可充電鋁電池可以產(chǎn)生2伏電壓。這比任何鋁電池可以產(chǎn)生的電壓都要高。”但戴表示還需要更多改進以實現(xiàn)與鋰離子電池的電壓相匹配。

“我們的電池只能達到典型鋰電池電壓的一半，但改進陰極材料應該可以最終增加電壓和能量密度。這樣的話，我們創(chuàng)造的電池將滿足你設想的電池的一切特性：不昂貴的電極、安全、高速充電、靈活和較長壽命。我已經(jīng)看到了這類新電池的雛形，這真是令人興奮。”

這項研究其它研究學者還包括來自臺灣工業(yè)技術研究院的訪問科學家林夢昌(Meng-Chang Lin)、湖南大學的盧炳安(Bingan Lu )和博士后學者吳英鵬(Yingpeng Wu)。

其它作者包括斯坦福大學的王遞延(Di-Yan Wang)、關明云(Mingyun Guan), 邁克爾·安吉爾(Michael Angell)、陳長鑫( Changxin Chen)和楊江( Jiang Yang);以及臺灣國立師范大學的黃冰喬(Bing-Joe Hwang)。

這項研究得到了美國能源部、臺灣工業(yè)技術研究院、斯坦福大學全球氣候和能源項目、斯坦福普雷科特能源研究所和臺灣教育部的支持。