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你真敢1.1秒给电池充满电?拿起科学手术刀解剖铝离子电池

刘冠伟 刘冠伟

前一阵子,浙江大学高超老师团队做出了优秀的工作,即利用石墨烯做正极的高倍率性能、高循环寿命的铝离子电池,兼具柔性功能。image.png

工作发表在了期刊《SCIENCE ADVANCES》上。一经推出,就得到了业内广泛的关注和讨论。有不少朋友都在询问该技术对于电池产业界的影响,当然了还有一些宣传文章的风格是这个样子的。

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什么感觉?电流太大了会不会把家里插座烧了担心的感觉?

哈哈,不开玩笑。既然大家非常关心该类电池技术,那正好今天就展开讲讲本文工作的内容,以及对铝离子电池的发展应用前景做一个简单的分析展望。 

1.铝离子电池——能量密度能有多少?

首先看看作者本人的摘要中对该电池的介绍。image.png

该工作的创新点在于,做了一种新型结构的3高3连续(3H3C)石墨烯膜正极,其具有高质量,取向性和局部通道,这样可以保证电子、离子传导以及足够的活性物质质量。该正极容量在1.1s充电时的容量为120mAh/g,25万次循环后容量保证率为91.7%,在高低温下工作性能出色,而且具有柔性。

不难看出,该石墨烯-铝金属的铝离子电池的高低温、柔性、倍率性能很优秀,这当然很大程度利益于制备的石墨烯电极。然而摘要是一个突出亮点的地方,突出的成果都会在这里反应,可是在这里电池的几个重要的参数都没有说:比如体积能量密度、质量能量密度。

1)体积能量密度低的话,手机和汽车这两个电池最为重要的领域中想要应用基本是没有希望的——空间非常有限,必须充分利用。而手机和汽车同样都在追求长续航,此时必须要求高的能量密度。

翻到文章第5页,看到了作者对自己电池性能的介绍:66Wh/kg(质量能量密度)。

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首先,66Wh/kg仍然是铝离子电池典型能量密度范围值40~65Wh/kg,这个数据比锂离子电池要低很多:磷酸铁锂100+Wh/kg,三元的接近200Wh/kg。以铝离子电池这样的能量密度在手机和汽车领域上用,基本也只能对准混合动力汽车了,而且插混都有点悬,手机则更难有希望。

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作者对铝离子电池技术的总体总结 

2)更大的问题在于全文都没有提及体积能量密度相关数据,考虑到该电池质量能量密度不高,使用的材料偏膨松(石墨烯等),其体积能量密度可能也很难达到三元类锂电池的1/3。因为该文作者并没有提到这方面的数据,因此笔者也只能基于已有数据和常识进行推断:体积能量密度数据很可能很难看。

在这里再强调一下体积能量密度的意义:如果造的电池不重,但是体积好大,携带装载也会有很大的问题,尤其是在移动储能用途中(手机、汽车)难以实用。而对于体积要求不太严格的固定式储能,体积庞大的储能方式可能会更合适,比如液流电池就是典型代表。

实际上,目前铝离子电池体系很难找到合适的正极材料,钒系化合物的容量和电压都不好看,石墨烯也只能是从矮子里拨将军,而电解液(只能用离子液体)等方面的限制也使得铝离子电池能量密度没有突破的迹象,因此目前的能量密度性能极大的限制了该技术的更广泛应用的可能性。

2.成本分析

综合以上两方面性能作者报出的数据,以及分析可以看出该电池可能更适合功率型场合,对于现有锂离子电池的取代潜力不是太大,对电容的威胁倒是不小,如果成本能做下来也可以去跟能量密度差不多的铅酸做竞争。

而在最后作者也给出了一个自己的评价——主要针对capacitor-dominant high-power density energy storage system。总之就是针对高功率领域。image.png

体积能量密度从目前来说无从知晓,刚才也说到了如果成本能够做下来可能也会有一定的潜力。不过该体系用了几个材料:石墨烯、离子液体、铝金属。

石墨烯正极的原料为氧化石墨烯GO,将其涂成定向膜后再还原,最后再在2850℃条件下处理才能得到最终需要的材料,与生产石墨需要的处理温度相似。因此该工艺路线使用的石墨原料-石墨烯电极制备相当于要经过两次2850℃的处理,这肯定会增加对于炉体的要求、耗能方面的需求。

有人可能会问:为什么二次处理石墨烯时不能降低温度?答案简单:石墨烯如果是走的氧化还原路线,材料结构完美程度会受氧化影响遭受破坏,温和的还原条件是不足以解决问题的,需要高温才能使其有效回复;而如果使用石墨烯用的是其它方法,比如CVD、机械剥离,制备的材料的质量会很高,可能不用高温处理,但是这些方法的量产能力常常非常受限。两难之处就在于此。

另外离子液体的确也是比较重要的有发展前景的技术。然而对于铝离子电池来说,目前其技术似乎极其依靠离子液体,其目前存在粘度大、成本高等一系列的问题,这极大的加大了铝离子电池的成本。当然了,假以时日,在科研界和工业界的共同努力下,以后离子液体的确有很大的进步空间,应用前景值得期许。

因此总体来说,相比于现在常见的电池体系:锂电池、铅酸使用的材料都已经比较常规,可以做到稳定的量产,这对于(尤其是近年来)降低电池成本起到了相当大的支撑作用。但是对于铝离子电池体系来说,原料产业化、经济实用化的工作,还有相当多的工作要做。 

3. 你真的敢1.1秒给电池充满电么?

实际上这一类文章的槽点是共性的:如果真的要1秒充满电,对于一个很小容量的实验室量级的电池自然是可以。而如果是手机电池呢?按10Wh一块1秒充满的话,充电功率是36kW,大家回忆下自己初中物理学习到的计算发热量的焦耳定律,以及看看自己家电表,然后好好琢磨一下是否可行。

针对这一类文章,锂电泰斗Goodenough老爷子早有文章分析和批评,在此直接援引一下,欢迎大家学习。《Unsupported claims of ultrafast charging of LiFePO4 Li-ion batteries》

总结

铝离子电池技术的确有自己的特色,然而缺点也很明显。希望其在未来的发展中能够在能量密度、成本下降潜力方面实现突破,从而加速其实用化进程。

来源:北京赛车pk10开奖直播

作者:刘冠伟

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