重大突破——石墨烯制造集团推出铝离子电池技术

作者： ycreset27741703
2021-11-04 08:49
1978

石墨稀制造集团（GMG）期望通过采用铝离子技术来引领电动汽车充电行业。

迄今为止，车用锂离子电池与其在1991年首次实现商业化时的技术水平相比，除了在能量密度方面曾出现重要的进步之外，其余方面并未得到根本性的改善。以里程焦虑这一普遍现象为例，其仍未得到充分缓解。然而，GMG希望在石墨烯铝离子电池方面取得重大突破，以改变上述情况。

通过采用由昆士兰大学（University of Queensland）开发出的先进技术，研究人员制造出了新款石墨烯铝离子电池，该款电池的充电时间比锂离子电池快70倍，同时更清洁、更耐久、更环保，并有着更高的输出功率（表1）。GMG旗下的部分研究人员认为，该款铝离子电池充分减小了锂离子和超级电容之间的差距。

表1 铝离子电池参数

GMG公司的技术通常会用铝金属（单价为2 078美元/吨）替代锂金属（单价为13 000美元/吨），从而可将电池的功率密度增加到7 kW/kg。当电池单元再次充电时，铝离子返回到负极，并且每个离子可以与3个电子进行交换，以替代锂离子。

研究人员为新款铝离子电池选用了含量较低的异金属（exotic metals）。GMG总经理Craig Nicol对此解释到，电池中所采用的氯化铝基本上采用了铝箔纸的结构型式，并且所采用的离子液为尿素，该款铝离子电池的充电速率仅仅受电池充电器和基础设施限制。

机遇

Nicol提到，GMG产品首席科学家Ashok Nanjundan博士已参与到昆士兰大学的早期研发项目中。在研究过程中，如果直接进行钻孔，铝原子会陷入石墨烯中，密度会变得更大。目前，该项目团队已研发出了1种可在石墨烯中高效制孔的方法。

目前，相关试验可充分支持Nicol的观点，《advanced Functional Materials》期刊的评审认为，新款铝离子电池单元提供了出色的高倍率性能（电池容量为149 mA·h），且其性能优于所有早期的铝离子电池负极材料。表面打孔的3层石墨烯（SPG3-400）具有宽广的层间距，以及大量的面内中孔隙（约为2.3 nm），从而充分证明了该款铝离子电池具有优秀的电化学性能。不均如此，这种SPG3-400材料还具有较高的可逆容量（197 mA·h）。

提前计划

GMG并不是唯一从事铝离子电池开发工作的组织。目前，GMG的合作伙伴主要包括中国的大连理工大学和美国的内布拉斯加大学（University of Nebraska）。除此之外，康奈尔大学（Cornell University）、克莱姆森大学（Clemson University）、马里兰大学（University of Maryland）、斯坦福大学、浙江大学高分子科学学院和欧洲工业联营企业ALION公司也逐步加入到研发进程中来。

GMG的石墨烯生产系统使其旗下的电池产品保有最佳的能量密度。目前，斯坦福大学的研究人员通过采用天然石墨烯铝离子技术，可以使电池的能量密度达到68.7 Wh/kg，容量密度达到 41.2 W/kg，石墨烯泡沫（graphite foam）可将电池的功率密度提升到3 000 W/kg。

热管理

到目前为止，GMG尚未遇到电池温度等相关限制性问题。据Nicol所言，全新的电池单元技术可以对锂离子壳体内部进行优化，从而防止车辆潜在问题的发生。

Nicol解释到，GMG的产品将具有与锂离子电池单元相似的形状和电压，并且可以变换到任何所需要的形状。该款铝离子电池基本上可被视作为1个超级电容，并且不受最大理论电流强度的限制。