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铝离子电池正极电极与电解液材料研究获进展

随着世界对于可再生能源开发需求的增长，电电能存储系统的短板日益凸显。在铅酸、镍氢、锂离子等主流电池体系当中因此企业并未由于库存较高而下降价格销售，覆膜机锂离子电池综合性能最好，但是锂的储量有限，而且存在安全性隐患问题；铅酸电池虽然成本低廉，但铅有环境污染问题。因此，开发具备廉价、安全、长寿命、可快速充电的电池系统成为目前世界研究热点。

近年来，铝离子电池的出现为解决上述问题提供了新的解决方案。它利用地壳上最丰富的金属元素之一的”铝”做为电池材料，由于一个铝离子与铝原子间的转换，能够有三个电子的得失，使其理论比容量仅次于锂，具备高度开发潜力。

从80年代开始，美国联信公司、美国康乃尔大学、美国橡树岭国家实验室、美国桑迪亚国家实验室、印度理工学院等单位皆陆续投入铝离子电池开发，使用石墨、氟化石墨、金属氧化物、导电高分子等材料做为正极，但皆未得到理想的放电电压( 1.7V)与足够的充放电循环( 100次)。

美国斯坦福大学化学系戴宏杰院士所率领的研究群在2015年使用发泡石墨材料作为正极，离子液体作为电解液，成功开发出近30年来首个放电电压在2V，且能充放电数千次的铝离子电池，并提出完整电池反应机理，相关研究成果发表在自然(Nature)杂志。

近期内戴院士领导的研究群针对石墨电极容量不足、电解液成本高等问题，又提出了低成本、高电容量石墨正极的新制程，同时开发以尿素为主的低成本离子液体电解液，这两者的结合让铝离子电池的产业化脚步往前迈进了一大步。相关研究成果先后发表在近日出版的《自然通讯》(Nature Communications)与《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences)杂志上。

《自然通讯》文中报道了一种利用天然石墨薄片作为阴极电极的铝离子电池，该电池性能表现优异，电容到达约110 mAhg-1，库伦效率约为98%。在已具有相当的范围6 C倍率下，电池电容为60 mAh/g，超过6000次充放电循环后库伦效率约石蜡为99%。另外，通过理论计算模拟研究了氯铝酸盐离子嵌入石墨层的行为机制。

《美国科学院院报》报导了使用氯化铝与尿素离子液体电解液的铝离子电池得到性能完全不同的材料，该电池的库伦效率表现优异，能达到99.7%。在1.4C倍率下，电池容量为73 mAh/g，可稳定充放电200次以上。氯化铝与尿素电解液的成本低廉，搭配天然花鸟鱼虫石墨材料做为阴极，铝箔作为阳极，上述材料所构成的铝离子电池成本低，且具备优异电化学性能，让铝离子电池成为理想的电储电系统。

近期，铝离子电池为电化学储能电池领域的新研究热点，欧皮带秤、美、日、韩、澳等科技发达国家皆有研究团队从事相关研究工作。在国内，包括山东科技大学的林孟昌教授、北京科技大学焦树强教授、浙江大学高超教授、江西师范大学欧阳楚英教授等研究团队也陆续在2015年后发表数篇关于石墨作为阴极材料的研究论文。这些工作厚植了铝离子电池在于科学与工程上的发展优势。

目前，美国硅谷新创公司AB Systems INC专注于铝离子电池产业化，已取得斯坦福大学铝离子电池专利的专属授权(专利申请日:1st US provisional filed on Feb 28, 2014; 2nd US provisional filed on Nov 6, 2014; PCT appl但有大约50%是新的和订制的ication filed on Feb 27, 2015)，该公司已经成功聚集国内、外多方产学研单位的资源，正全力将铝离子电池推向市场应用。