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85后副教授研发电池获突破 手机可一分钟充满电  

2015-04-11 16:35:28|  分类: 物理科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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85后副教授研发电池获突破 手机可一分钟充满电   

  29岁的鲁兵安昨早六点在斯坦福大学化学系实验室开始了实验,他和团队成员正在完善一种前所未有的电池:阳极是铝,阴极是石墨,电池可以随意弯折,向内钻孔不会起火。手机外接上这种电池设备,不到一分钟就能充满电。这个令人期待的新型电池被称为快速充放电铝离子电池,研发结果在近日的《自然》杂志上在线发表,来自湖南大学的副教授鲁兵安作为共同第一作者备受关注。但何时能用上充电快还不怕自燃的铝离子电池,时间还尚未可知。

反常实验取得突破

电池被广泛用于我们的生活,目前,市面上常见的电池包括锂离子电池和碱性电池,但碱性电池因含有铅汞等原料有污染环境的危险,手机等电器中频繁使用的锂离子电池也不乏缺陷:容量低、寿命短,高温或碰撞时容易自燃或爆炸,一度被飞机货舱“拒载”。

科学界一直致力于研究替代品或升级品。可充电铝电池30年来一直处于概念阶段,铝电池正极材料易被腐蚀、不能有效放电等难题难以突破。

2013年6月,斯坦福大学化学系戴宏杰教授的课题组启动了科研项目,计划做一个能充放电的铝电池。

去年5月,湖南大学物理与微电子科学学院副教授鲁兵安以访问学者的身份去美,他加入了这个由6个华人年轻研究者组成的团队,继续攻克铝离子电池。

“当时我们手工做了上百个电池,但都没有成功,大家都快放弃了”,鲁兵安回忆说,“2014年6月一天晚上12点,我冒着毁坏设备的危险,反常理地实验了下大电流充放电,居然成功了。”

在鲁兵安的那次反常实验后,课题组有了更明确的目标,经过后续无数次实验,他们取得突破性成果,并在《自然》杂志发表了论文。

《自然》杂志认为该研究成果首次实现了可充电铝离子液体电池,可应用于现代各种电子设备从而改善人类的生活方式。

一分钟能充满电?

在斯坦福大学实验室公开的视频中,一只没电的手机,外接上可以折叠的口袋样的铝离子液体电池,显示充电的绿色迅速蹿升满格,而整个充电过程中,时间停在12点41分并没有变化。

“过去在iPhone等使用锂电池的手机上,需要1个小时才能完成的充电量,在铝电池上1分钟即可完成”,鲁兵安介绍说,今后,铝电池充电1小时,手机使用三四天不再是假想。

他们的实验证明,铝电池的寿命更长。铝电池循环7500次后,容量几乎没有衰减。而普通锂电池的循环寿命一般为300次。

最近多家航空公司规定,禁止在客机上整批运输锂离子电池,锂电池容易成为火灾隐患这一问题再次被重视,但实验室中的铝离子电池却不怕火。实验展示视频中,一根电钻钻入正在使用中的铝电池,电池没有燃烧,仍能继续工作。

鲁兵安介绍,即便把铝电池放到火上烤,也不会出现爆炸的情况。这是因为电池内部的等离子电解液不会燃烧,铝和石墨也不易燃烧,因此这种铝电池非常安全。

斯坦福大学参与此项研究的学生龚明在实验中展示了电池的灵活性,他首先点亮一只LED灯,并且不断弯折电池,尽管电池被弯折了,LED灯却还亮着。

龚明介绍说:“我们在智能手机里放两个这样的电池,只要有了可弯折的屏幕,再加上可弯折的电池,我们就可能拥有可以弯折的智能手机。”

安全、寿命长、快速充电慢速放电……能够聚合这些优点,源于斯坦福大学戴宏杰课题组找到了合适的材料。

课题组负责人戴宏杰教授说:“人们以前尝试过各种不同类型的阴极材料,但是在这次实验中我们偶然发现了一个简单的解决方案就是使用石墨,它几乎完全以碳作为基础材料。”

铝离子电池的研究团队,用三维石墨作为电池正极材料,并用一种相当于盐溶液的离子液体作为电解液,从而解决了铝电池研究在材料上的瓶颈问题,由于三维石墨优良的导电性能和巨大的比表面积,能够极大地缩短电池的充电时间。

原型电池仍待改良

但现实中,可快速充电的电池要到“手机党”的手里,还需要更长的时间和更多的投入。鲁兵安介绍说,现在的铝电池还只是原型产品,如果要商用,还需要更多的人加入进来。例如,利用铝电池的柔性特点,设计各种各样的可穿戴设备。

斯坦福大学的公开信息显示,可充电铝离子液体电池已经在美国获得了多项专利保护,并且有多家国际知名企业致力于买断这项专利,正在谈判中。

“铝离子技术也提供了一个可以替代一次性碱性电池的环境友好型技术”,戴宏杰教授表示,但是铝离子电池的电压也十分需要改进。

清华大学一位不愿具名的专家认为,铝离子电池是个实验室里的美好想象,但要真正应用,不知道在为大容量电器充电时,是否还能达到很快的速度。

目前,鲁兵安和课题组成员仍在为了铝电池改进加紧实验,受现有技术所限,铝电池产生的电压是一个典型的锂电池电压的一半,目前的原型电池只能产生2伏电压,低于传统电池的3.6伏,还不能用于手机,能量密度也低于常规锂电池,需要继续改良阴极材料。

不过,研究团队表现得很有信心。戴宏杰教授说,“提高阴极材料质量最终可以增加电压并提高能量密度。此外,我们的电池有一切你认为电池应有的特点:电极便宜,安全性好,充电快,可弯曲,寿命长。我认为这是一款还处在萌芽阶段的新型电池,很振奋人心。”

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