你真敢1.1秒給電池充滿電？拿起科學手術刀解剖鋁離子電池

01-29

前一陣子，浙江大學高超老師團隊做出了優秀的工作，即利用石墨烯做正極的高倍率性能、高循環壽命的鋁離子電池，兼具柔性功能。工作發表在了期刊《SCIENCE ADVANCES》上。

一經推出，就得到了業內廣泛的關注和討論。有不少朋友都在詢問該技術對於電池產業界的影響，當然了還有一些宣傳文章的風格是這個樣子的。

什麼感覺？電流太大了會不會把家裡插座燒了擔心的感覺？

哈哈，不開玩笑。既然大家非常關心該類電池技術，那正好今天就展開講講本文工作的內容，以及對鋁離子電池的發展應用前景做一個簡單的分析展望。

1、鋁離子電池——能量密度能有多少？

首先看看作者本人的摘要中對該電池的介紹。

該工作的創新點在於，做了一種新型結構的3高3連續（3H3C）石墨烯膜正極，其具有高質量，取向性和局部通道，這樣可以保證電子、離子傳導以及足夠的活性物質質量。該正極容量在1.1s充電時的容量為120mAh/g，25萬次循環後容量保證率為91.7%，在高低溫下工作性能出色，而且具有柔性。

不難看出，該石墨烯-鋁金屬的鋁離子電池的高低溫、柔性、倍率性能很優秀，這當然很大程度利益於製備的石墨烯電極。然而摘要是一個突出亮點的地方，突出的成果都會在這裡反應，可是在這裡電池的幾個重要的參數都沒有說：比如體積能量密度、質量能量密度。

1）體積能量密度低的話，手機和汽車這兩個電池最為重要的領域中想要應用基本是沒有希望的——空間非常有限，必須充分利用。而手機和汽車同樣都在追求長續航，此時必須要求高的能量密度。

翻到文章第5頁，看到了作者對自己電池性能的介紹：66Wh/kg（質量能量密度）。

首先，66Wh/kg仍然是鋁離子電池典型能量密度範圍值40~65Wh/kg，這個數據比鋰離子電池要低很多：磷酸鐵鋰100+Wh/kg，三元的接近200Wh/kg。以鋁離子電池這樣的能量密度在手機和汽車領域上用，基本也只能對準混合動力汽車了，而且插混都有點懸，手機則更難有希望。

2）更大的問題在於全文都沒有提及體積能量密度相關數據，考慮到該電池質量能量密度不高，使用的材料偏膨鬆（石墨烯等），其體積能量密度可能也很難達到三元類鋰電池的1/3。因為該文作者並沒有提到這方面的數據，因此筆者也只能基於已有數據和常識進行推斷：體積能量密度數據很可能很難看。

在這裡再強調一下體積能量密度的意義：如果造的電池不重，但是體積好大，攜帶裝載也會有很大的問題，尤其是在移動儲能用途中（手機、汽車）難以實用。而對於體積要求不太嚴格的固定式儲能，體積龐大的儲能方式可能會更合適，比如液流電池就是典型代表。

實際上，目前鋁離子電池體系很難找到合適的正極材料，釩系化合物的容量和電壓都不好看，石墨烯也只能是從矮子里撥將軍，而電解液（只能用離子液體）等方面的限制也使得鋁離子電池能量密度沒有突破的跡象，因此目前的能量密度性能極大的限制了該技術的更廣泛應用的可能性。

2. 成本分析

綜合以上兩方面性能作者報出的數據，以及分析可以看出該電池可能更適合功率型場合，對於現有鋰離子電池的取代潛力不是太大，對電容的威脅倒是不小，如果成本能做下來也可以去跟能量密度差不多的鉛酸做競爭。

而在最後作者也給出了一個自己的評價——主要針對capacitor-dominant high-power density energy storage system。總之就是針對高功率領域。

體積能量密度從目前來說無從知曉，剛才也說到了如果成本能夠做下來可能也會有一定的潛力。不過該體系用了幾個材料：石墨烯、離子液體、鋁金屬。

石墨烯正極的原料為氧化石墨烯GO，將其塗成定向膜後再還原，最後再在2850℃條件下處理才能得到最終需要的材料，與生產石墨需要的處理溫度相似。因此該工藝路線使用的石墨原料-石墨烯電極製備相當於要經過兩次2850℃的處理，這肯定會增加對於爐體的要求、耗能方面的需求。

有人可能會問：為什麼二次處理石墨烯時不能降低溫度？答案簡單：石墨烯如果是走的氧化還原路線，材料結構完美程度會受氧化影響遭受破壞，溫和的還原條件是不足以解決問題的，需要高溫才能使其有效回復；而如果使用石墨烯用的是其它方法，比如CVD、機械剝離，製備的材料的質量會很高，可能不用高溫處理，但是這些方法的量產能力常常非常受限。兩難之處就在於此。

另外離子液體的確也是比較重要的有發展前景的技術。然而對於鋁離子電池來說，目前其技術似乎極其依靠離子液體，其目前存在粘度大、成本高等一系列的問題，這極大的加大了鋁離子電池的成本。當然了，假以時日，在科研界和工業界的共同努力下，以後離子液體的確有很大的進步空間，應用前景值得期許。

因此總體來說，相比於現在常見的電池體系：鋰電池、鉛酸使用的材料都已經比較常規，可以做到穩定的量產，這對於（尤其是近年來）降低電池成本起到了相當大的支撐作用。但是對於鋁離子電池體系來說，原料產業化、經濟實用化的工作，還有相當多的工作要做。

3. 你真的敢1.1s給電池充滿電么？

實際上這一類文章的槽點是共性的：如果真的要1s充滿電，對於一個很小容量的實驗室量級的電池自然是可以。而如果是手機電池呢？按10Wh一塊1s充滿的話，充電功率是36kW，大家回憶下自己初中物理學習到的計算髮熱量的焦耳定律，以及看看自己家電錶，然後好好琢磨一下是否可行。

針對這一類文章，鋰電泰斗Goodenough老爺子早有文章分析和批評，在此直接援引一下，歡迎大家學習。《Unsupported claims of ultrafast charging of LiFePO4 Li-ion batteries》http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775309009987

總結

鋁離子電池技術的確有自己的特色，然而缺點也很明顯。希望其在未來的發展中能夠在能量密度、成本下降潛力方面實現突破，從而加速其實用化進程。

聲明：本文已經首發在第一電動汽車網。