中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：前一陣子，浙江大學(xué)高超老師團(tuán)隊(duì)做出了優(yōu)秀的工作，即利用石墨烯做正極的高倍率性能、高循環(huán)壽命的鋁離子電池，兼具柔性功能。
工作發(fā)表在了期刊《SCIENCE ADVANCES》上。一經(jīng)推出，就得到了業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注和討論。有不少朋友都在詢問該技術(shù)對(duì)于電池產(chǎn)業(yè)界的影響，當(dāng)然了還有一些宣傳文章的風(fēng)格是這個(gè)樣子的。
什么感覺？電流太大了會(huì)不會(huì)把家里插座燒了擔(dān)心的感覺？
哈哈，不開玩笑。既然大家非常關(guān)心該類電池技術(shù)，那正好今天就展開講講本文工作的內(nèi)容，以及對(duì)鋁離子電池的發(fā)展應(yīng)用前景做一個(gè)簡(jiǎn)單的分析展望。
1.鋁離子電池——能量密度能有多少？
首先看看作者本人的摘要中對(duì)該電池的介紹。
該工作的創(chuàng)新點(diǎn)在于，做了一種新型結(jié)構(gòu)的3高3連續(xù)（3H3C）石墨烯膜正極，其具有高質(zhì)量，取向性和局部通道，這樣可以保證電子、離子傳導(dǎo)以及足夠的活性物質(zhì)質(zhì)量。該正極容量在1.1s充電時(shí)的容量為120mAh/g，25萬次循環(huán)后容量保證率為91.7%，在高低溫下工作性能出色，而且具有柔性。
不難看出，該石墨烯-鋁金屬的鋁離子電池的高低溫、柔性、倍率性能很優(yōu)秀，這當(dāng)然很大程度利益于制備的石墨烯電極。然而摘要是一個(gè)突出亮點(diǎn)的地方，突出的成果都會(huì)在這里反應(yīng)，可是在這里電池的幾個(gè)重要的參數(shù)都沒有說：比如體積能量密度、質(zhì)量能量密度。
1）體積能量密度低的話，手機(jī)和汽車這兩個(gè)電池最為重要的領(lǐng)域中想要應(yīng)用基本是沒有希望的——空間非常有限，必須充分利用。而手機(jī)和汽車同樣都在追求長(zhǎng)續(xù)航，此時(shí)必須要求高的能量密度。
翻到文章第5頁，看到了作者對(duì)自己電池性能的介紹：66Wh/kg（質(zhì)量能量密度）。
首先，66Wh/kg仍然是鋁離子電池典型能量密度范圍值40~65Wh/kg，這個(gè)數(shù)據(jù)比鋰離子電池要低很多：磷酸鐵鋰100+Wh/kg，三元的接近200Wh/kg。以鋁離子電池這樣的能量密度在手機(jī)和汽車領(lǐng)域上用，基本也只能對(duì)準(zhǔn)混合動(dòng)力汽車了，而且插混都有點(diǎn)懸，手機(jī)則更難有希望。
作者對(duì)鋁離子電池技術(shù)的總體總結(jié)
2）更大的問題在于全文都沒有提及體積能量密度相關(guān)數(shù)據(jù)，考慮到該電池質(zhì)量能量密度不高，使用的材料偏膨松（石墨烯等），其體積能量密度可能也很難達(dá)到三元類鋰電池的1/3。因?yàn)樵撐淖髡卟]有提到這方面的數(shù)據(jù)，因此筆者也只能基于已有數(shù)據(jù)和常識(shí)進(jìn)行推斷：體積能量密度數(shù)據(jù)很可能很難看。
在這里再?gòu)?qiáng)調(diào)一下體積能量密度的意義：如果造的電池不重，但是體積好大，攜帶裝載也會(huì)有很大的問題，尤其是在移動(dòng)儲(chǔ)能用途中（手機(jī)、汽車）難以實(shí)用。而對(duì)于體積要求不太嚴(yán)格的固定式儲(chǔ)能，體積龐大的儲(chǔ)能方式可能會(huì)更合適，比如液流電池就是典型代表。
實(shí)際上，目前鋁離子電池體系很難找到合適的正極材料，釩系化合物的容量和電壓都不好看，石墨烯也只能是從矮子里撥將軍，而電解液（只能用離子液體）等方面的限制也使得鋁離子電池能量密度沒有突破的跡象，因此目前的能量密度性能極大的限制了該技術(shù)的更廣泛應(yīng)用的可能性。
2.成本分析
綜合以上兩方面性能作者報(bào)出的數(shù)據(jù)，以及分析可以看出該電池可能更適合功率型場(chǎng)合，對(duì)于現(xiàn)有鋰離子電池的取代潛力不是太大，對(duì)電容的威脅倒是不小，如果成本能做下來也可以去跟能量密度差不多的鉛酸做競(jìng)爭(zhēng)。
而在最后作者也給出了一個(gè)自己的評(píng)價(jià)——主要針對(duì)capacitor-dominant high-power density energy storage system?？傊褪轻槍?duì)高功率領(lǐng)域。
體積能量密度從目前來說無從知曉，剛才也說到了如果成本能夠做下來可能也會(huì)有一定的潛力。不過該體系用了幾個(gè)材料：石墨烯、離子液體、鋁金屬。
石墨烯正極的原料為氧化石墨烯GO，將其涂成定向膜后再還原，最后再在2850℃條件下處理才能得到最終需要的材料，與生產(chǎn)石墨需要的處理溫度相似。因此該工藝路線使用的石墨原料-石墨烯電極制備相當(dāng)于要經(jīng)過兩次2850℃的處理，這肯定會(huì)增加對(duì)于爐體的要求、耗能方面的需求。
有人可能會(huì)問：為什么二次處理石墨烯時(shí)不能降低溫度？答案簡(jiǎn)單：石墨烯如果是走的氧化還原路線，材料結(jié)構(gòu)完美程度會(huì)受氧化影響遭受破壞，溫和的還原條件是不足以解決問題的，需要高溫才能使其有效回復(fù)；而如果使用石墨烯用的是其它方法，比如CVD、機(jī)械剝離，制備的材料的質(zhì)量會(huì)很高，可能不用高溫處理，但是這些方法的量產(chǎn)能力常常非常受限。兩難之處就在于此。
另外離子液體的確也是比較重要的有發(fā)展前景的技術(shù)。然而對(duì)于鋁離子電池來說，目前其技術(shù)似乎極其依靠離子液體，其目前存在粘度大、成本高等一系列的問題，這極大的加大了鋁離子電池的成本。當(dāng)然了，假以時(shí)日，在科研界和工業(yè)界的共同努力下，以后離子液體的確有很大的進(jìn)步空間，應(yīng)用前景值得期許。
因此總體來說，相比于現(xiàn)在常見的電池體系：鋰電池、鉛酸使用的材料都已經(jīng)比較常規(guī)，可以做到穩(wěn)定的量產(chǎn)，這對(duì)于（尤其是近年來）降低電池成本起到了相當(dāng)大的支撐作用。但是對(duì)于鋁離子電池體系來說，原料產(chǎn)業(yè)化、經(jīng)濟(jì)實(shí)用化的工作，還有相當(dāng)多的工作要做。
你真的敢1.1秒給電池充滿電么？
實(shí)際上這一類文章的槽點(diǎn)是共性的：如果真的要1秒充滿電，對(duì)于一個(gè)很小容量的實(shí)驗(yàn)室量級(jí)的電池自然是可以。而如果是手機(jī)電池呢？按10Wh一塊1秒充滿的話，充電功率是36kW，大家回憶下自己初中物理學(xué)習(xí)到的計(jì)算發(fā)熱量的焦耳定律，以及看看自己家電表，然后好好琢磨一下是否可行。
針對(duì)這一類文章，鋰電泰斗Goodenough老爺子早有文章分析和批評(píng)，在此直接援引一下，歡迎大家學(xué)習(xí)。《Unsupported claims of ultrafast charging of LiFePO4 Li-ion batteries》http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775309009987
總結(jié)
鋁離子電池技術(shù)的確有自己的特色，然而缺點(diǎn)也很明顯。希望其在未來的發(fā)展中能夠在能量密度、成本下降潛力方面實(shí)現(xiàn)突破，從而加速其實(shí)用化進(jìn)程。
