產學差距究竟有多大-#4. 電池新技術手機或告別一天一充

(2016-03-28) 人民網深圳（王〇）近日，中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱深圳先進院）唐〇炳研究員及其團隊研發的新型高儲能、低體積電池技術在國際能源材料頂級期刊《先進能源材料》上發表。該刊匿名審稿人稱，這是一種「讓人驚奇，是從未報道過的新電池技術」。

據介紹，唐〇炳發明的鋁—石墨雙離子電池，是一種全新的高效、低成本儲能電池。這種新型電池，用石墨取代鋰電池裡的鋰化合物，作為正極材料，用鋁箔作為負極材料和負極集流體。電解液則由常規鋰鹽和碳酸酯類有機溶劑組成。該新型電池在充電過程中，正極石墨發生陰離子插層反應，而鋁負極發生鋁-鋰合金化反應，放電過程則相反。這種新型反應機理，不僅可以顯著提高電池的工作電壓（3.8-4.6V），同時大幅降低電池的質量、體積、及製造成本，從而全面提升全電池的能量密度（~220nWh╱kg）。

「如果使用這種新型電池，未來的手機可能會比現在再輕薄一半，同時智能手機再也不需要一天一充電。」先進院介紹，這項電池實現產業化後，將能解決電動汽車電池成本高昂以及續航里程短的問題。「500kg 的鋁-石墨電池的續航里程可達到約 550 公里。」先進院工作人員表示，同等重量的普通電動汽車電池，續航里程最多只有 400 多公里。與傳統鋰電技術相比，鋁-石墨電池具不僅生產成本降低約 40%~50%，能量密度提高至少 1.3~2.0 倍。「該新型電池技術如實現產業化，將有望改變現有鋰電產業格局。」

我們先找到 Lin 等 (2015) 發表「Annultrafast rechargeable aluminium-ion battery」(Nature,n520, 324-328 | doi:10.1038/nature14340) 的研究成果，以鋁離子為基礎材料的二次電池，提供了低成本、低易燃性，且具有 three-electron-redox 使之有較高能量密度。

在此研究中，鋁離子電池的負極材料為鋁 (Aluminum)、正極材料為石墨(grapgite)，工作原理是藉由電池內部負極鋁離子往返正極石墨材料之間的反應產生電能，電解液使用具不可燃性質的離子液體。放電電壓可達 2V、能量密度 70 mAh╱g、庫倫效率n(Coulombic Efficiency，CE，電池放電量與同循環過程中的充電量比) 為 98%、在電流密度為 4,000 mA╱g 的條件下，充電速度可快達一分鐘以內，且循環壽命高達 7,500次。

在此研究的設計上，正極材料為 3D 的石墨泡沫 (graphitic-foam) 型態，且厚度很薄 (~17 μm) 能維持整體的可撓性，此結構具有足夠且均勻的孔隙利於離子通過，並加快鋁離子在正負極之間往來的速度，提升反應速率、降低電池內阻，此正極材料正是使鋁離子電池能追上鋰離子電池的重要因素。且負極材料用的是可撓式的鋁箔 (~15-250nμm)，能使鋁離子電池的實際應用範圍更廣泛。

鋁離子電池的規格相較過往有大幅的進展，並具備鋰離子電池沒有的優點：鋁離子電池的循環壽命 7,500 次遠高於鋰離子電池的 1,000 次、每個鋁離子攜帶電荷是鋰離子的三倍、鋁材料較鋰材料便宜、鋁箔可撓等。然而，鋁離子電池提供的電壓離日常多數電子產品所使用的 5V 還有一段距離，電池容量也尚未達到鋰離子標準 (約為鋰離子電池的三分之一)。

反觀，Zhang 等 (2016) 發表「A Novel Aluminum–Graphite Dual-Ion Battery」(AdvancednEnergy Materials | doi: 10.1002/aenm.201502588 View) 報道一種新型的低成本鋁石墨雙離子電池。電池表現出約 100 mAh╱g 的可逆容量和 200 次充放電循環後的 88％ 的容量保持率。鋁-石墨電池包估計在功率密度 1,200 W╱kg 可達 150 Wh╱kg 的能量密度，這比大多數商業鋰離子電池高約 50％。

本文的負極採用了 Al 代替石墨，這樣在電解液上的選擇上可以不使用 EC，而顯然 EMC 電解液對高壓的性能肯定是優於 EMC 的。其次，CV 圖可以看到電壓平台約從 4-5V，其本質並非一種鋁離子電池，而更應歸類為「雙離子電池」。鋁離子電池可以理解為以 AlCl4- 進行擴散和輸運，而這裡的 dual-ion battery 應該是 Li+ 和 PF6-，而電解液中的離子也是活性物質的一部分。有別於鋰離子電池中電解質層主要充當電子傳輸的介質，雙離子電池中電解液可以看作活性物質的一部分，需要提供充足的離子以供反應。

從 70 mAh╱g 提升到 100 mAh╱g，且可以從 2V 提升到 3.8-4.6V 是個亮點。但庫倫效率及循環壽命都變差了，這表示距離商品化還有很長的道路要走。三十年來，對於鋁離子電池的研究常遭遇到以下問題：

1) 使用一段時間後正極材料碎裂、電池放電電壓過低 (0.55V)；

2) 電容行為不穩定 (1.1~0.2V 或 1.8-0.8V)；

3) 電容壽命過低，在 100 個循環 (cycle) 內下降程度廣為 26-85%；以及

4) 其循環壽命 (cyclenlife) 小於 100 周期等。

鋁電池的優點：

1) 快速：充電只要一分鐘；

2) 耐久：可充放電一萬次，遠超過鋰電池的一千次；

3) 安全：可凹折，穩定，將鋁電池鑽透，不但未著火，還能運作。

鋁電池的缺點：

1) 電壓：鋁電池電壓約 2 伏特，比智能手機鋰電池普遍電壓為 3.7 伏特或 4 伏特低；

2) n體積：電池體積尚無法比鋰電池小，目前無法取代手機電池。

台灣工研院預計 2018 年量產上市，該團隊期望今年能完成供電 200 瓦的電池，提供再生能源與大型儲能裝置使用潛力。那中科院可不能落後耶！