文献报告-An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery

1、铝离子电池研究常见二次电池介绍常见金属阳极材料性能对比锂离子电池介绍 (1) 工作电压高：工作电压3.6V，是镍镉或镍氢电池的3倍 (2) 比能量高：目前比能量已达到150-220 Wh/Kg，是镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍 (3) 循环寿命长：循环寿命已达1000次以上 (4) 自放电小：月自放电率仅为6-8%，远低于镍镉或镍氢电池 (5) 无记忆效应：可根据需求随时充电，而不会降低电池性能 (6) 对环境无污染：不存在有毒有害物质，名副其实的“绿色电池” 在考虑能量密度中，金属锂是最理想的负极材料，存在致命缺点：锂容易形成枝晶，刺穿隔膜，使正负极相接，发生自燃或爆炸，安全性制约着其发

2、展。铝电池研究 铝电池虽研究较多，未产业化，其原因：(1)铝容易形成致密的氧化膜，使铝电极电位迅速下降；(2)铝较活泼且是两性元素，容易与介质发生严重析氢反应（作为负极时发生自腐蚀）；(3)碱性介质中，铝阳极成流反应和腐蚀反应产物为胶状AI(OH)3，降低电解质电导率，增加铝阳极极化。 铝电池研究分类：AI空气电池、A1AgO电池、A1Mn02电池、AIH202电池、AIMn04电池等An ultrafast rechargeable An ultrafast rechargeable aluminiumaluminium-ion battery-ion batteryMeng-Chang L

3、in1,2*, Ming Gong1*, Bingan Lu1,3*, YingpengWu1*, Di-Yan Wang1,4,5, Mingyun Guan1, Michael Angell1,Changxin Chen1, Jiang Yang1, Bing-Joe Hwang6 & Hongjie Dai11Department of Chemistry, Stanford UniversityNature 文章文章中设计的新型铝电池中设计的新型铝电池：1)结构：结构： 负极负极铝箔（厚度铝箔（厚度15-250nm） 正极正极泡沫石墨泡沫石墨 电解质溶液电解质溶液有机有机盐盐E

4、MImCl与氯化铝的混合物与氯化铝的混合物2)性能：性能： 稳定放电电压稳定放电电压约约2V 比容量比容量70mA/g 库仑效率库仑效率98% 电流密度电流密度4000mA/g 循环稳定性循环稳定性7500次（目前最次（目前最高高1000次左右）次左右） 商业优势商业优势低成本、安全性高低成本、安全性高电极材料及电解质测试电极材料及电解质测试原始石墨、热解石墨和泡沫原始石墨、热解石墨和泡沫石墨的石墨的XRD检测结果检测结果a) 不同比值的不同比值的AlCl3/EMImCl电解液的恒电流充放电曲线电解液的恒电流充放电曲线b) AlCl3/EMImCl为为1.3电解液的拉曼光谱电解液的拉曼光谱XR

5、D衍射峰相同，结构相同布拉格方程=2dsin面间距d=3.35A(002)正负极材料测试正负极材料测试不同厚度石墨片的电容量与质量的关系不同厚度石墨片的电容量与质量的关系热解石墨和泡沫石墨的电容量与质量的关系热解石墨和泡沫石墨的电容量与质量的关系负极材料铝在充放电循环负极材料铝在充放电循环20和和100次后扫描电镜照片次后扫描电镜照片表面光滑，无明显突起形成正极材料测试分析正极材料测试分析原始石墨与热解石墨（原始石墨与热解石墨（PG）在充电过程中结构形貌变化及其充放电曲线对比）在充电过程中结构形貌变化及其充放电曲线对比 原始石墨片层之间紧密堆积，充电过程中离子嵌入石墨层，致使石墨层之间原始石墨

6、片层之间紧密堆积，充电过程中离子嵌入石墨层，致使石墨层之间结构变化，是石墨发生膨胀破裂，热解石墨片层之间具有共价骨架，结构不易发结构变化，是石墨发生膨胀破裂，热解石墨片层之间具有共价骨架，结构不易发生变化，充电后表面仍比较光滑生变化，充电后表面仍比较光滑电池工作原理电池工作原理探究探究电池放电过程电池放电过程电池工作原理探究电池工作原理探究23.5626.55(002)28.25正极热解石墨在原始状态下、充电后、放正极热解石墨在原始状态下、充电后、放电后的电后的XRD测试图测试图充放电循环过程中正极热解充放电循环过程中正极热解石墨的拉曼光谱石墨的拉曼光谱电池工作原理探究电池工作原理探究X射线光

7、电子能谱射线光电子能谱(XPS)俄歇电子能谱俄歇电子能谱(AES)充放电前后检测石墨层中嵌入物质的化学性质检测石墨层中嵌入物质的化学性质电池性能测试电池性能测试 正极采用泡沫石墨，利用其网状结构，实现离子在石墨之间快速传递，提高充放电效率，Al/泡沫石墨电池充放电电流密度达5000mA/g，是热解石墨的75倍； 泡沫石墨具有开放的三维网状结构，避免普通石墨充电过程中大离子嵌入导致的结构变化，不易发生裂解Al/PG(热解石墨热解石墨)电池的充放电曲线电池的充放电曲线和循环稳定性和循环稳定性a)泡沫石墨的泡沫石墨的SEM照片照片b)Al/泡沫石墨电池的充放电循环曲线泡沫石墨电池的充放电循环曲线电池

8、工作原理探究电池工作原理探究c)Al/泡沫石墨电池的充放电泡沫石墨电池的充放电循环稳定性及库仑效率循环稳定性及库仑效率d) Al/泡沫石墨泡沫石墨电池在不同充放电电流密度下的稳定性及库仑效率电池在不同充放电电流密度下的稳定性及库仑效率总结与思考：本文创新点：1)正极采用泡沫石墨，实现电池快速充电，充电电流密度达到5000mA/g，在1分钟内可完成充电。2)电池的充放电循环稳定性极高，循环达到7500次保持稳定的比容量。3)电池不存在安全隐患，并可弯曲，电池在工作过程中用钻孔机钻穿也没发生任何危险。思考：1)电池的循环稳定性受哪些条件控制，本文中极高的稳定性是如何实现的？2)铝离子电池实现商业应用存在哪些问题？参考文献1.NatureAn ultrafast rechargeable aluminium-ion battery,Meng-Chang Lin1,2*, Ming Gong1*, Bingan Lu1,3*, YingpengWu1* .2.课程课程“纳米材料制备与应用纳