原创 “一分钟充满电”的超级铝电池是什么原理？

作为手机党，手机没电或许是最要命的事。现在普通智能手机使用的锂电池充满电需要一小时。但一个小时还是长了些，笔者就常有手机没电却又必须马上出门的惨痛经历。

现在，一项颠覆性的技术眼看就能解决以上烦恼：斯坦福大学的华人化学家戴宏杰的团队刚刚发明出了一种“一分钟充满电”的新型铝离子电池，4月6日在线发表在Nature杂志上（An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery,http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14340.html）。除了充电极为迅速以外，这种电池还有寿命长（充放电7500次后容量仍毫无损失，而现在广泛使用的锂离子电池最多也只能充放电1000次）、可弯曲（怎么弯弯折折都能照常供电）、安全性好（你拿钻孔机把它钻穿也不会发生任何危险事故）等其他优点。
 
铝电池的逆袭

铝电池成本低廉、不易燃烧，科学家已经对其进行了数十年研究，但始终无法解决一个严重的问题：它的寿命非常短。正电极和电解液是铝电池软肋，以前的材料无法承受反复的充放电循环——在几百次的充放电之后，铝电池的容量就会严重下降。

戴宏杰带领的研究小组正是在这一点上取得了突破。他们发现了一种新型石墨材料——泡沫石墨（graphite foam）。泡沫石墨刚好可以充当电池的正极（负极用铝制成），而电解液则采用一种离子液体——即全由离子组成、室温下呈液态的离子化合物，具体成分为一种有机盐（化学表达式为[EMIm]Cl）与氯化铝的混合物。

新型铝电池的结构简图。图片来源：Lin M C, Gong M, Lu B, et al. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery[J]. Nature, 2015.

泡沫石墨：电流的“高速公路”

“一分钟充满电”的关键，就在于戴宏杰团队发现的新型正极材料——泡沫石墨。充电过程是一种电化学反应，需要电池中AlCl4-离子时刻不停地与正极进行结合与分离。他们一开始采用一种名叫热解石墨（pyrolytic graphite，简称PG）的材料作为正极，但由于AlC4-阴离子体积太大，很难通过PG过于紧密的层状结构，这就限制了充电速度的进一步提高。

一次偶然的机会，戴宏杰的团队发现了泡沫石墨（如下图），这种材料的晶须（单晶中生长的短纤维）宽度约为100微米，且晶须之间有充裕的空间，形成一种开放的“框架结构”，AlCl4-离子能以非常快的速度在其中穿梭。经过实验，研究人员惊讶地发现，石墨泡沫铝电池的充电速率，达到了PG铝电池的75倍——在一分钟之内就可以完成充电。

 

泡沫石墨的扫描电子显微图像，可以看到其开放的框架结构。图片来源：Lin M C, Gong M, Lu B, et al. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery[J]. Nature, 2015.

除了充电迅速，这种新型电池还有其他优异的性能作为“彩蛋”。在Nature网站上浏览论文的在线版本时，读者可以看到作者附上的两个视频（http://www.nature.com/nature/journal/v520/n7547/full/nature14340.html#videos），展示新电池的可弯折性和安全性：不论怎么弯折，电池都能正常给LED灯泡供电，这是因为，构成电池的材料——电极（铝和石墨）以及分隔膜——都是可弯折的。

铝电池的另一个优越性能，是它非常安全：就算拿钻孔机把它钻穿，电池也不会爆炸或者燃烧，甚至连温度都不怎么上升，这一点则是源于电解液的非易燃性。

戴宏杰表示，这种新型电池不仅可以用于柔性电子设备，它的超快充电速度和超长寿命，也意味着它可以用来存储电网内的风能、太阳能等可再生能源。因此，虽然目前它的电压仅能达到传统锂电池的一半，科学家还是相信，在正极材料的性能得到继续提升后，新型铝离子电池会引领电池界一场新的革命。