華人發明的鋁離子電池：充滿電僅需1分鐘

據報道，斯坦福大學的科學家們發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在普遍使用的很多商業電池的更安全替代品。“我們研發了一種可充電的鋁電池，它可以取代現有的存儲設備，例如對環境有害的堿性電池，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新性鋁離子電池研究被發表在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商業可行的鋁離子電池，卻一直以失敗告終。其中面臨的一個重要挑戰便是找到在經歷了反復充電和放電后仍能夠產生足夠電壓的材料。


　　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。“我們意外的發現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，我們發現了一些類型的石墨材料可以產生非常好的特性。”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。其它實驗室研發的鋁電池在100次充電-放電循環后就壽終正寢了。但斯坦福小組研發的電池在經歷7500次充電-放電循環后仍保證電池性能不下降或丟失。“這是首次研發經歷上千次循環后仍保持穩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。“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里存儲可再生能源。“電網需要具有較長循環壽命的電池以快速存儲和釋放能量，”戴解釋道。“我們最新未發表的數據顯示鋁電池可以被再充電上萬次。很難想象為了電網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境友好的替代產品。“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生2伏電壓。這比任何鋁電池可以產生的電壓都要高。”但戴表示還需要更多改進以實現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。