研究前沿

碳材料在铝离子电池中的应用与研究进展


锂离子电池一直被认为是最有前景的电化学储能体系之一,因为它能量密度高、循环寿命长、工作电势高。但近年来随着锂离子电池的大范围推广和应用,锂资源面临枯竭,价格更是逐年攀升。其次,它使用常见的有机电解液,易燃易爆,安全性差。再者,其体积比能量密度低。而铝资源丰富,每年开采量是锂的1000多倍,价格低廉。并且使用离子液体作为电解液,离子液体蒸气压低、无可燃性等优点极大提升了铝离子电池的安全性能,再者,铝负极的体积比能量密度远远高于锂,外加铝离子电池还有可弯折性强、对环境友好等优点,因此对于未来的可穿戴设备电池,易发生碰撞危险易燃易爆的汽车电池,大规模智能电网储能等领域,铝离子电池都有极大的应用前景和应用价值。

而目前关于碳材料做铝离子电池正极的研究颇有进展,2015年戴宏杰组首次使用泡沫石墨作为铝离子电池正极[1],这种材料孔径大约300微米长,孔隙肉眼可见,AlCl4-可在其中快速来回脱嵌。在4A/g电流密度下,循环7500圈库伦效率依然接近于100%,容量保持在66 mAh g-1,其倍率性能也相当优异,在5A/g 、2A/g、1A/g、0.5A/g、0.2A/g各个电流密度下,其电化学容量稳定在66mAh/g。他们组在2016年又发表了一篇关于三维泡沫石墨做铝离子电池正极的文章[2],通过两步膨胀过程(如下图所示),使得三维泡沫石墨相比于之前的泡沫石墨厚度提高了600倍,表现出优异的循环性能和倍率性能,在12 A g-1的电流密度下,以60 mAh g-1的可逆容量循环4000 cycle。虽然这种泡沫石墨具有优异的循环性能和倍率性能,但是牺牲了体积能量密度以及体积功率密度,因为其密度只有0.005 mg mL-1,那有没有什么材料既能保持高的体积能量密度以及体积功率密度,又能具有高度有序的疏松多孔结构,Maksym V. Kovalenko 组以此为出发点构造出ZTC材料做铝离子电池正极[3],是用CVD的方法将碳原位生长在沸石矿模板上,该材料表现出优异的电化学性能,在50 mAg-1 电流密度下充放电比容量达到400 mAh g-1,并能同时保持相当高的质量功率密度和体积功率密度。

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[1]   M. C. Lin, M. Gong, B. Lu, Y. Wu, D. Y. Wang, M. Guan, M. Angell, C. Chen, J. Yang, B. J. Hwang, H. Dai, Nature 2015, 520, 325.

[2]   Y. Wu, M. Gong, M. C. Lin, C. Yuan, M. Angell, L. Huang, D. Y. Wang, X. Zhang, J. Yang, B. J. Hwang, H. Dai, Adv Mater 2016, 28, 9218.

[3]   N. P. Stadie, S. Wang, K. V. Kravchyk, M. V. Kovalenko, ACS Nano 2017, 11, 1911.

 

(蒋嘉丽)

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