剛剛過(guò)完冬至，口袋里的手機(jī)又到了“凍不凍”就黑屏關(guān)機(jī)的時(shí)刻。除了在低溫、高溫條件下電池效能不穩(wěn)定，在使用一兩年后，電池的續(xù)航能力也大打折扣。不過(guò)在不久的將來(lái)，這些問(wèn)題也許都將被解決。

近日，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系高超團(tuán)隊(duì)研制出的新型鋁-石墨烯電池。這種電池是柔性的，將它彎折一萬(wàn)次后，容量完全保持。它可以在零下40攝氏度到120攝氏度的環(huán)境中工作，可謂既耐高溫，又抗嚴(yán)寒。在零下30攝氏度的環(huán)境中，這種新型電池能實(shí)現(xiàn)1000次充放電性能不減，而在100攝氏度的環(huán)境中，它能實(shí)現(xiàn)4.5萬(wàn)次穩(wěn)定循環(huán)，哪怕電芯暴露于火焰中時(shí)也不會(huì)起火或爆炸。更讓人欣慰的是，這款超級(jí)電池號(hào)稱(chēng)充電速度超快，據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，充滿(mǎn)電只需要1.1秒。“未來(lái)如果用到手機(jī)上，充電5秒鐘通話(huà)2小時(shí)是完全可能的。”

一片片泛著金屬光澤的深灰色薄膜，就是團(tuán)隊(duì)最新研發(fā)的石墨烯—鋁電池。它的正極是石墨烯薄膜，負(fù)極是金屬鋁。相比于鋰電池，高超課題組研發(fā)的鋁-石墨烯電池展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)：一般電池隨著反復(fù)充放電，比電容量會(huì)不斷降低，這就是俗話(huà)說(shuō)的“不耐用”。

但這塊長(zhǎng)相“毫不起眼”的鋁-石墨烯電池在這一點(diǎn)上則表現(xiàn)優(yōu)異。如果把一次充電—放電作為一次循環(huán)，這種電池經(jīng)歷25萬(wàn)次循環(huán)，比電容量仍高達(dá)91%，幾乎沒(méi)有損失。如果智能手機(jī)用上這種電池，每天哪怕充電10次，也能用上近70年。

鋁離子電池是一種優(yōu)秀的新型電池，其實(shí)用化的關(guān)鍵是找到合適的正極材料。浙大高分子系高超教授課題組選擇石墨烯這一神奇材料，以創(chuàng)新工藝制備成獨(dú)特的石墨烯膜作為正極材料，大大提升了鋁離子電池的整體性能，與現(xiàn)在主流的鋰電池和超級(jí)電容器相抗衡的遠(yuǎn)景十分看好。12月15日，相關(guān)論文發(fā)表于國(guó)際著名期刊《科學(xué)進(jìn)展》。

“這種鋁—石墨烯超級(jí)電池，倍率性能和循環(huán)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他電池，比超級(jí)電容器具有更高的能量密度，相當(dāng)?shù)谋堵市阅芎脱h(huán)壽命。”高超說(shuō)。

2015年，斯坦福大學(xué)的戴宏杰課題組在Nature雜志發(fā)表工作，采用高溫裂解石墨泡沫來(lái)制作正極，首次實(shí)現(xiàn)了比容量較高且可長(zhǎng)循環(huán)的鋁離子電池。高超課題組受此啟發(fā)，嘗試用石墨烯膜來(lái)制作鋁電池的電極。經(jīng)過(guò)一年半摸索和積累，高超團(tuán)隊(duì)提出了石墨烯正極材料的“三高三連續(xù)”設(shè)計(jì)原則。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)表示，“電池的性能，關(guān)鍵取決于電子和離子在正極和負(fù)極之間‘奔跑’的狀態(tài)。”該石墨烯電池正極材料采用“三高三連續(xù)”設(shè)計(jì)原則，擁有連續(xù)孔道，就像四通八達(dá)的高速公路，讓盡可能多的電子和離子暢通地奔跑，或者快速‘歸位’。

“三高”指微觀結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量、高取向、高孔道率；“三連續(xù)”指宏觀結(jié)構(gòu)上有連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、連續(xù)的離子傳輸通道和連續(xù)的離子嵌層通道。

高超課題組的新型電池給我們展示了美好的前景：比如，手機(jī)充電數(shù)秒就完成，在極寒和高溫環(huán)境中能自如工作，不用擔(dān)心電池爆炸，不用擔(dān)心電池老化。但是，高超說(shuō)，這離真正商業(yè)化還有很大的挑戰(zhàn)，需要更多科學(xué)家的努力和投入才能實(shí)現(xiàn)。

高超說(shuō)，目前的正極比容量、輸出電壓及面負(fù)載量還有較大的提升空間，能量密度不足以與鋰離子電池相匹敵，今后還需在保持高功率密度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高能量密度。此外，目前經(jīng)典的離子液體電解質(zhì)價(jià)格較貴，如果可以找到更廉價(jià)的電解質(zhì)，鋁離子電池的商業(yè)前景將更寬廣。