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手機一分鐘充滿電 這會是電池革命嗎?

                                                                           2015-04-12

 

 

      29歲的魯兵安昨早六點在斯坦福大學化學系實驗室開始了實驗,他和團隊成員正在完善一種前所未有的電池:陽極是鋁,陰極是石墨,電池可以隨意彎折,向內鉆孔不會起火。手機外接上這種電池設備,不到一分鐘就能充滿電。這個令人期待的新型電池被稱為快速充放電鋁離子電池,研發結果在近日的《自然》雜志上在線發表,來自湖南大學的副教授魯兵安作為共同第一作者備受關注。但何時能用上充電快還不怕自燃的鋁離子電池,時間還尚未可知。

  反常實驗取得突破

  電池被廣泛用于我們的生活,目前,市面上常見的電池包括鋰離子電池和堿性電池,但堿性電池因含有鉛汞等原料有汙染環境的危險,手機等電器中頻繁使用的鋰離子電池也不乏缺陷:容量低、壽命短,高溫或碰撞時容易自燃或爆炸,一度被飛機貨艙“拒載”。

  科學界一直致力于研究替代品或升級品。可充電鋁電池30年來一直處于概念階段,鋁電池正極材料易被腐蝕、不能有效放電等難題難以突破。

  2013年6月,斯坦福大學化學系戴宏傑教授的課題組啟動了科研項目,計劃做一個能充放電的鋁電池。

  去年5月,湖南大學物理與微電子科學學院副教授魯兵安以訪問學者的身份去美,他加入了這個由6個華人年輕研究者組成的團隊,繼續攻克鋁離子電池。

  “當時我們手工做了上百個電池,但都沒有成功,大家都快放棄了”,魯兵安回憶說,“2014年6月一天晚上12點,我冒著毀壞設備的危險,反常理地實驗了下大電流充放電,居然成功了。”

  在魯兵安的那次反常實驗後,課題組有了更明確的目標,經過後續無數次實驗,他們取得突破性成果,並在《自然》雜志發表了論文。

  《自然》雜志認為該研究成果首次實現了可充電鋁離子液體電池,可應用于現代各種電子設備從而改善人類的生活方式。

  一分鐘能充滿電?

  在斯坦福大學實驗室公開的視頻中,一只沒電的手機,外接上可以折疊的口袋樣的鋁離子液體電池,顯示充電的綠色迅速躥升滿格,而整個充電過程中,時間停在12點41分並沒有變化。

  “過去在iPhone等使用鋰電池的手機上,需要1個小時才能完成的充電量,在鋁電池上1分鐘即可完成”,魯兵安介紹說,今後,鋁電池充電1小時,手機使用三四天不再是假想。

  他們的實驗證明,鋁電池的壽命更長。鋁電池循環7500次後,容量幾乎沒有衰減。而普通鋰電池的循環壽命一般為300次。

  最近多家航空公司規定,禁止在客機上整批運輸鋰離子電池,鋰電池容易成為火災隱患這一問題再次被重視,但實驗室中的鋁離子電池卻不怕火。實驗展示視頻中,一根電鉆鉆入正在使用中的鋁電池,電池沒有燃燒,仍能繼續工作。

  魯兵安介紹,即便把鋁電池放到火上烤,也不會出現爆炸的情況。這是因為電池內部的等離子電解液不會燃燒,鋁和石墨也不易燃燒,因此這種鋁電池非常安全。

  斯坦福大學參與此項研究的學生龔明在實驗中展示了電池的靈活性,他首先點亮一只LED燈,並且不斷彎折電池,盡管電池被彎折了,LED燈卻還亮著。

  龔明介紹說:“我們在智能手機里放兩個這樣的電池,只要有了可彎折的屏幕,再加上可彎折的電池,我們就可能擁有可以彎折的智能手機。”

  安全、壽命長、快速充電慢速放電……能夠聚合這些優點,源于斯坦福大學戴宏傑課題組找到了合適的材料。

  課題組負責人戴宏傑教授說:“人們以前嘗試過各種不同類型的陰極材料,但是在這次實驗中我們偶然發現了一個簡單的解決方案就是使用石墨,它幾乎完全以碳作為基礎材料。”

  鋁離子電池的研究團隊,用三維石墨作為電池正極材料,並用一種相當于鹽溶液的離子液體作為電解液,從而解決了鋁電池研究在材料上的瓶頸問題,由于三維石墨優良的導電性能和巨大的比表面積,能夠極大地縮短電池的充電時間。

  原型電池仍待改良

  但現實中,可快速充電的電池要到“手機黨”的手里,還需要更長的時間和更多的投入。魯兵安介紹說,現在的鋁電池還只是原型產品,如果要商用,還需要更多的人加入進來。例如,利用鋁電池的柔性特點,設計各種各樣的可穿戴設備。

  斯坦福大學的公開信息顯示,可充電鋁離子液體電池已經在美國獲得了多項專利保護,並且有多家國際知名企業致力于買斷這項專利,正在談判中。

  “鋁離子技術也提供了一個可以替代一次性堿性電池的環境友好型技術”,戴宏傑教授表示,但是鋁離子電池的電壓也十分需要改進。

  清華大學一位不願具名的專家認為,鋁離子電池是個實驗室里的美好想象,但要真正應用,不知道在為大容量電器充電時,是否還能達到很快的速度。

  目前,魯兵安和課題組成員仍在為了鋁電池改進加緊實驗,受現有技術所限,鋁電池產生的電壓是一個典型的鋰電池電壓的一半,目前的原型電池只能產生2伏電壓,低于傳統電池的3.6伏,還不能用于手機,能量密度也低于常規鋰電池,需要繼續改良陰極材料。

  不過,研究團隊表現得很有信心。戴宏傑教授說,“提高陰極材料質量最終可以增加電壓並提高能量密度。此外,我們的電池有一切你認為電池應有的特點:電極便宜,安全性好,充電快,可彎曲,壽命長。我認為這是一款還處在萌芽階段的新型電池,很振奮人心。”

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