深圳先進院等研發(fā)出新型高效低成本儲能電池

　　近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳團隊聯(lián)合香港城市大學教授李振聲經(jīng)過長時間努力，成功研發(fā)出一種全新的高效、低成本儲能電池。相關(guān)論文A Novel Aluminum–Graphite Dual-Ion Battery（《一種新型鋁—石墨雙離子電池》）在線發(fā)表于能源材料期刊Advanced Energy Materials上（DOI: 10.1002/aenm.201502588），并已申請2項PCT專利（PCT/CN2015/096887；PCT/CN2015/099967）和1項中國發(fā)明專利(申請?zhí)枺?01510856238.9)。

　　鋰離子電池已成為便攜式電子設(shè)備、電動汽車、可再生能源系統(tǒng)等領(lǐng)域的主要能源轉(zhuǎn)換和存儲設(shè)備。全球?qū)︿囯姷男枨笠悦磕?.7%的速度增長，其市場到2019年將達到1200億美元（據(jù)美國弗里多尼亞集團市場調(diào)查）。由于受到正負極材料理論比容量較低的限制，目前商用鋰離子電池的能量密度僅為100-150 Wh/kg，并且制造成本較高，越來越難滿足電子智能終端產(chǎn)品、電動汽車等領(lǐng)域?qū)Ω吣芰棵芏?、低成本儲能器件的性能要求。此外傳統(tǒng)鋰離子電池的電極材料含有有毒金屬，電池廢棄會造成嚴重的環(huán)境問題。

　　為突破現(xiàn)有電池技術(shù)瓶頸，唐永炳及其團隊成員張小龍、張帆經(jīng)過長期研發(fā)，成功研制出一種全新的鋁—石墨雙離子電池（AGDIB）。這種新型AGDIB電池采用廉價且易得的石墨替代傳統(tǒng)鋰電中高成本且含重金屬的過渡金屬氧化物或磷酸鐵鋰作為電池正極材料；采用鋁箔同時作為電池負極材料和負極集流體；以常規(guī)鋰鹽和碳酸脂溶劑為電解液。該電池工作原理有別于傳統(tǒng)鋰離子電池，充電過程中，正極石墨發(fā)生陰離子插層反應，而鋁負極發(fā)生鋁-鋰合金化反應，放電過程則相反。這種新型反應機理不僅顯著提高了電池的工作電壓（3.8-4.6V），同時大幅降低電池的質(zhì)量、體積及制造成本，從而全面提升了全電池的能量密度。

　　初步估算該類型電池的全電池質(zhì)量能量密度和體積能量密度將高達約222 Wh/kg。500Kg重量的AGDIB電池的續(xù)航里程可達到約550公里。與傳統(tǒng)的鋰電技術(shù)相比，這種電池具有明顯的優(yōu)勢，不僅生產(chǎn)成本降低約40-50%，同時能量密度提高至少1.3-2.0倍。若這種鋁-石墨電池成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將大幅提升現(xiàn)有便攜式電子設(shè)備、電動汽車以及新能源儲能系統(tǒng)的使用性能。不過，目前該電池技術(shù)還有待優(yōu)化，比如需要進一步提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性等。

　　該項研究得到廣東省創(chuàng)新科研團隊、深圳市科技計劃項目和國家自然科學基金等項目的資助。

新型鋁-石墨雙離子電池結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖