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85后副教授研發(fā)電池獲突破 手機可一分鐘充滿(mǎn)電

訪(fǎng)問(wèn)量:

85后副教授研發(fā)電池獲突破 手機可一分鐘充滿(mǎn)電

29歲的魯兵安昨早六點(diǎn)在斯坦福大學(xué)化學(xué)系實(shí)驗室開(kāi)始了實(shí)驗,他和團隊成員正在完善一種前所未有的電池:陽(yáng)極是鋁,陰極是石墨,電池可以隨意彎折,向內鉆孔不會(huì )起火。手機外接上這種電池設備,不到一分鐘就能充滿(mǎn)電。這個(gè)令人期待的新型電池被稱(chēng)為快速充放電鋁離子電池,研發(fā)結果在近日的《自然》雜志上在線(xiàn)發(fā)表,來(lái)自湖南大學(xué)的副教授魯兵安作為共同第一作者備受關(guān)注。但何時(shí)能用上充電快還不怕自燃的鋁離子電池,時(shí)間還尚未可知。

  反常實(shí)驗取得突破

  電池被廣泛用于我們的生活,目前,市面上常見(jiàn)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污染環(huán)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(shí)容易自燃或爆炸,一度被飛機貨艙“拒載”。

  科學(xué)界一直致力于研究替代品或升級品??沙潆婁X電池30年來(lái)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(xué)化學(xué)系戴宏杰教授的課題組啟動(dòng)了科研項目,計劃做一個(gè)能充放電的鋁電池。

  去年5月,湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院副教授魯兵安以訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者的身份去美,他加入了這個(gè)由6個(gè)華人年輕研究者組成的團隊,繼續攻克鋁離子電池。

  “當時(shí)我們手工做了上百個(gè)電池,但都沒(méi)有成功,大家都快放棄了”,魯兵安回憶說(shuō),“2014年6月一天晚上12點(diǎn),我冒著(zhù)毀壞設備的危險,反常理地實(shí)驗了下大電流充放電,居然成功了?!?/span>

  在魯兵安的那次反常實(shí)驗后,課題組有了更明確的目標,經(jīng)過(guò)后續無(wú)數次實(shí)驗,他們取得突破性成果,并在《自然》雜志發(fā)表了論文。

  《自然》雜志認為該研究成果首次實(shí)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(lèi)的生活方式。

  一分鐘能充滿(mǎn)電?

  在斯坦福大學(xué)實(shí)驗室公開(kāi)的視頻中,一只沒(méi)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(mǎn)格,而整個(gè)充電過(guò)程中,時(shí)間停在12點(diǎn)41分并沒(méi)有變化。

  “過(guò)去在iPhone等使用鋰電池的手機上,需要1個(gè)小時(shí)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(shuō),今后,鋁電池充電1小時(shí),手機使用三四天不再是假想。

  他們的實(shí)驗證明,鋁電池的壽命更長(cháng)。鋁電池循環(huán)7500次后,容量幾乎沒(méi)有衰減。而普通鋰電池的循環(huán)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(wèn)題再次被重視,但實(shí)驗室中的鋁離子電池卻不怕火。實(shí)驗展示視頻中,一根電鉆鉆入正在使用中的鋁電池,電池沒(méi)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(huì )出現爆炸的情況。這是因為電池內部的等離子電解液不會(huì )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(xué)參與此項研究的學(xué)生龔明在實(shí)驗中展示了電池的靈活性,他首先點(diǎn)亮一只LED燈,并且不斷彎折電池,盡管電池被彎折了,LED燈卻還亮著(zhù)。

  龔明介紹說(shuō):“我們在智能手機里放兩個(gè)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?!?/span>

  安全、壽命長(cháng)、快速充電慢速放電……能夠聚合這些優(yōu)點(diǎn),源于斯坦福大學(xué)戴宏杰課題組找到了合適的材料。

  課題組負責人戴宏杰教授說(shuō):“人們以前嘗試過(guò)各種不同類(lèi)型的陰極材料,但是在這次實(shí)驗中我們偶然發(fā)現了一個(gè)簡(jiǎn)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?!?/span>

  鋁離子電池的研究團隊,用三維石墨作為電池正極材料,并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(wèn)題,由于三維石墨優(yōu)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(shí)間。

  原型電池仍待改良

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

  斯坦福大學(xué)的公開(kāi)信息顯示,可充電鋁離子液體電池已經(jīng)在美國獲得了多項專(zhuān)利保護,并且有多家國際知名企業(yè)致力于買(mǎi)斷這項專(zhuān)利,正在談判中。

  “鋁離子技術(shù)也
提供了一個(gè)可以替代一次性堿性電池的環(huán)境友好型技術(shù)”,戴宏杰教授表示,但是鋁離子電池的電壓也十分需要改進(jìn)。


  清華大學(xué)一位不愿具名的專(zhuān)家認為,鋁離子電池是個(gè)實(shí)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(shí),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(jìn)加緊實(shí)驗,受現有技術(shù)所限,鋁電池產(chǎn)生的電壓是一個(gè)典型的鋰電池電壓的一半,目前的原型電池只能產(chǎn)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(guò),研究團隊表現得很有信心。戴宏杰教授說(shuō),“提高陰極材料質(zhì)量最終可以增加電壓并提高能量密度。此外,我們的電池有一切你認為電池應有的特點(diǎn):電極便宜,安全性好,充電快,可彎曲,壽命長(cháng)。我認為這是一款還處在萌芽階段的新型電池,很振奮人心?!?/span>


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