文獻(xiàn)報(bào)告-An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery

1、鋁離子電池研究常見(jiàn)二次電池介紹常見(jiàn)金屬陽(yáng)極材料性能對(duì)比鋰離子電池介紹 (1) 工作電壓高：工作電壓3.6V，是鎳鎘或鎳氫電池的3倍 (2) 比能量高：目前比能量已達(dá)到150-220 Wh/Kg，是鎳鎘電池的3倍，鎳氫電池的1.5倍 (3) 循環(huán)壽命長(zhǎng)：循環(huán)壽命已達(dá)1000次以上 (4) 自放電小：月自放電率僅為6-8%，遠(yuǎn)低于鎳鎘或鎳氫電池 (5) 無(wú)記憶效應(yīng)：可根據(jù)需求隨時(shí)充電，而不會(huì)降低電池性能 (6) 對(duì)環(huán)境無(wú)污染：不存在有毒有害物質(zhì)，名副其實(shí)的“綠色電池” 在考慮能量密度中，金屬鋰是最理想的負(fù)極材料，存在致命缺點(diǎn)：鋰容易形成枝晶，刺穿隔膜，使正負(fù)極相接，發(fā)生自燃或爆炸，安全性制約著其發(fā)

2、展。鋁電池研究 鋁電池雖研究較多，未產(chǎn)業(yè)化，其原因：(1)鋁容易形成致密的氧化膜，使鋁電極電位迅速下降；(2)鋁較活潑且是兩性元素，容易與介質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重析氫反應(yīng)（作為負(fù)極時(shí)發(fā)生自腐蝕）；(3)堿性介質(zhì)中，鋁陽(yáng)極成流反應(yīng)和腐蝕反應(yīng)產(chǎn)物為膠狀A(yù)I(OH)3，降低電解質(zhì)電導(dǎo)率，增加鋁陽(yáng)極極化。 鋁電池研究分類：AI空氣電池、A1AgO電池、A1Mn02電池、AIH202電池、AIMn04電池等An ultrafast rechargeable An ultrafast rechargeable aluminiumaluminium-ion battery-ion batteryMeng-Chang L

3、in1,2*, Ming Gong1*, Bingan Lu1,3*, YingpengWu1*, Di-Yan Wang1,4,5, Mingyun Guan1, Michael Angell1,Changxin Chen1, Jiang Yang1, Bing-Joe Hwang6 & Hongjie Dai11Department of Chemistry, Stanford UniversityNature 文章文章中設(shè)計(jì)的新型鋁電池中設(shè)計(jì)的新型鋁電池：1)結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 負(fù)極負(fù)極鋁箔（厚度鋁箔（厚度15-250nm） 正極正極泡沫石墨泡沫石墨 電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液有機(jī)有機(jī)鹽鹽E

4、MImCl與氯化鋁的混合物與氯化鋁的混合物2)性能：性能： 穩(wěn)定放電電壓穩(wěn)定放電電壓約約2V 比容量比容量70mA/g 庫(kù)侖效率庫(kù)侖效率98% 電流密度電流密度4000mA/g 循環(huán)穩(wěn)定性循環(huán)穩(wěn)定性7500次（目前最次（目前最高高1000次左右）次左右） 商業(yè)優(yōu)勢(shì)商業(yè)優(yōu)勢(shì)低成本、安全性高低成本、安全性高電極材料及電解質(zhì)測(cè)試電極材料及電解質(zhì)測(cè)試原始石墨、熱解石墨和泡沫原始石墨、熱解石墨和泡沫石墨的石墨的XRD檢測(cè)結(jié)果檢測(cè)結(jié)果a) 不同比值的不同比值的AlCl3/EMImCl電解液的恒電流充放電曲線電解液的恒電流充放電曲線b) AlCl3/EMImCl為為1.3電解液的拉曼光譜電解液的拉曼光譜XR

5、D衍射峰相同，結(jié)構(gòu)相同布拉格方程=2dsin面間距d=3.35A(002)正負(fù)極材料測(cè)試正負(fù)極材料測(cè)試不同厚度石墨片的電容量與質(zhì)量的關(guān)系不同厚度石墨片的電容量與質(zhì)量的關(guān)系熱解石墨和泡沫石墨的電容量與質(zhì)量的關(guān)系熱解石墨和泡沫石墨的電容量與質(zhì)量的關(guān)系負(fù)極材料鋁在充放電循環(huán)負(fù)極材料鋁在充放電循環(huán)20和和100次后掃描電鏡照片次后掃描電鏡照片表面光滑，無(wú)明顯突起形成正極材料測(cè)試分析正極材料測(cè)試分析原始石墨與熱解石墨（原始石墨與熱解石墨（PG）在充電過(guò)程中結(jié)構(gòu)形貌變化及其充放電曲線對(duì)比）在充電過(guò)程中結(jié)構(gòu)形貌變化及其充放電曲線對(duì)比 原始石墨片層之間緊密堆積，充電過(guò)程中離子嵌入石墨層，致使石墨層之間原始石墨

6、片層之間緊密堆積，充電過(guò)程中離子嵌入石墨層，致使石墨層之間結(jié)構(gòu)變化，是石墨發(fā)生膨脹破裂，熱解石墨片層之間具有共價(jià)骨架，結(jié)構(gòu)不易發(fā)結(jié)構(gòu)變化，是石墨發(fā)生膨脹破裂，熱解石墨片層之間具有共價(jià)骨架，結(jié)構(gòu)不易發(fā)生變化，充電后表面仍比較光滑生變化，充電后表面仍比較光滑電池工作原理電池工作原理探究探究電池放電過(guò)程電池放電過(guò)程電池工作原理探究電池工作原理探究23.5626.55(002)28.25正極熱解石墨在原始狀態(tài)下、充電后、放正極熱解石墨在原始狀態(tài)下、充電后、放電后的電后的XRD測(cè)試圖測(cè)試圖充放電循環(huán)過(guò)程中正極熱解充放電循環(huán)過(guò)程中正極熱解石墨的拉曼光譜石墨的拉曼光譜電池工作原理探究電池工作原理探究X射線光

7、電子能譜射線光電子能譜(XPS)俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)充放電前后檢測(cè)石墨層中嵌入物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)檢測(cè)石墨層中嵌入物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)電池性能測(cè)試電池性能測(cè)試 正極采用泡沫石墨，利用其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)離子在石墨之間快速傳遞，提高充放電效率，Al/泡沫石墨電池充放電電流密度達(dá)5000mA/g，是熱解石墨的75倍； 泡沫石墨具有開(kāi)放的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，避免普通石墨充電過(guò)程中大離子嵌入導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變化，不易發(fā)生裂解Al/PG(熱解石墨熱解石墨)電池的充放電曲線電池的充放電曲線和循環(huán)穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性a)泡沫石墨的泡沫石墨的SEM照片照片b)Al/泡沫石墨電池的充放電循環(huán)曲線泡沫石墨電池的充放電循環(huán)曲線電池

8、工作原理探究電池工作原理探究c)Al/泡沫石墨電池的充放電泡沫石墨電池的充放電循環(huán)穩(wěn)定性及庫(kù)侖效率循環(huán)穩(wěn)定性及庫(kù)侖效率d) Al/泡沫石墨泡沫石墨電池在不同充放電電流密度下的穩(wěn)定性及庫(kù)侖效率電池在不同充放電電流密度下的穩(wěn)定性及庫(kù)侖效率總結(jié)與思考：本文創(chuàng)新點(diǎn)：1)正極采用泡沫石墨，實(shí)現(xiàn)電池快速充電，充電電流密度達(dá)到5000mA/g，在1分鐘內(nèi)可完成充電。2)電池的充放電循環(huán)穩(wěn)定性極高，循環(huán)達(dá)到7500次保持穩(wěn)定的比容量。3)電池不存在安全隱患，并可彎曲，電池在工作過(guò)程中用鉆孔機(jī)鉆穿也沒(méi)發(fā)生任何危險(xiǎn)。思考：1)電池的循環(huán)穩(wěn)定性受哪些條件控制，本文中極高的穩(wěn)定性是如何實(shí)現(xiàn)的？2)鋁離子電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用存在哪些問(wèn)題？參考文獻(xiàn)1.NatureAn ultrafast rechargeable aluminium-ion battery,Meng-Chang Lin1,2*, Ming Gong1*, Bingan Lu1,3*, YingpengWu1* .2.課程課程“納米材料制備與應(yīng)用納