鋁離子電池是一種基于金屬鋁負極、鋁基離子液體電解質(zhì)和特定正極的新型電池。作為負極的金屬鋁儲量豐富、廉價安全、比容量高。目前鋁離子電池面臨的主要問題在于正極材料的電化學性能不足，導致電池整體的性能仍然無法匹敵傳統(tǒng)的高能量密度鋰離子電池和高功率密度的超級電容器等。

為解決該問題，浙江大學高分子科學與工程學系高超教授團隊設計制備了石墨烯膜正極材料，獲得了具有超高倍率和超長循環(huán)性能的鋁-石墨烯電池。

這些優(yōu)異性能得益于石墨烯正極材料的“三高三連續(xù)”設計原則。“三高”指高質(zhì)量、高取向、高孔道率；“三連續(xù)”指連續(xù)的導電網(wǎng)絡、連續(xù)的離子傳輸通道和連續(xù)的離子嵌層通道。通過單層氧化石墨烯溶液的連續(xù)濕紡或刮涂工藝，得到了高度取向的氧化石墨烯膜；高溫還原后，得到了高質(zhì)量無晶格缺陷的石墨烯膜；在高溫還原過程中利用獨特的氣體壓力及“氣囊”現(xiàn)象構(gòu)筑了連續(xù)的孔道，實現(xiàn)了高孔道率，有利于電解質(zhì)的快速浸潤。這種石墨烯膜在微觀結(jié)構(gòu)上具有“三高”特征，宏觀整體上具有三連續(xù)特性，同時在力學強度、導電率及柔性等方面也表現(xiàn)突出，使得所組裝的鋁-石墨烯電池具有超快倍率和超長循環(huán)性能。此外，由于原材料廉價易得，制造工藝簡便、連續(xù)、可控，產(chǎn)品與傳統(tǒng)工藝相兼容，這種正極材料有望實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

石墨烯正極的比容量達到120mAhg-1，在250,000次循環(huán)后仍能保持91%的容量；同時其倍率性能優(yōu)異，在最高400Ag-1的電流密度下（3333C,1.1秒內(nèi)充滿電）仍具有111mAhg-1的可逆比容量。該種鋁-石墨烯電池可以在-40到120攝氏度下工作，并在-30攝氏度和100攝氏度下分別實現(xiàn)了1000圈和45,000圈的穩(wěn)定循環(huán)。這一寬溫度使用范圍為將來鋁離子電池在極端溫度條件下的使用打下了基礎。同時，具有較好的柔性和安全性，在10,000次彎折后容量完全保持；即使電芯暴露于火焰中時也不會起火或爆炸，展現(xiàn)出了其在可穿戴柔性電子器件中的應用潛力。這種倍率性能和循環(huán)壽命遠遠超過其他電池材料，可實現(xiàn)具有比超級電容器能量密度更高、倍率性能和循環(huán)壽命相當?shù)匿X-石墨烯“超級”電池。

這一成果的取得也得益于高超團隊之前的積累和對前人工作的學習借鑒。在鋁-石墨烯電池領域，高超團隊提出了正極石墨烯材料的“無缺陷”設計原理（Adv.Mater.2016,29,1605958;Adv.EnergyMater.2017,7,1700051），發(fā)現(xiàn)了鋁負極的枝晶現(xiàn)象及其抑制機理（ACSAppl.Mater.&Inter.,2017,9,22628），設計制備了高柔性高導熱石墨烯組裝膜（Adv.Mater.2017,29,1700589）。在鋁離子電池研究領域，斯坦福大學的戴宏杰教授做出了開創(chuàng)性工作，首先實現(xiàn)了比容量較高且可長循環(huán)的鋁離子電池（Nature,2015,520,324）。早前，中科大余彥教授在研究鈉離子電池時提出了“三連續(xù)”的電極材料設計思路（Adv.Mater.2016,28,2409），實現(xiàn)了超快長循環(huán)鈉離子電池。

這些進步使鋁電池在高功率能量存儲系統(tǒng)方面的應用前景更加光明。但也要看到，目前的正極比容量、輸出電壓及面負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上進一步提高能量密度。此外，目前經(jīng)典的離子液體電解質(zhì)價格較貴，如果可以找到更廉價的電解質(zhì)，鋁離子電池的商業(yè)前景將更寬廣。

此篇工作完成之際恰逢浙江大學120周年校慶，作者們滿懷對母校的感激之情，制作了獨特的樣品展示：讓柔性鋁-石墨烯電池點亮了印有"ZJU120"的LED燈串，用自己的科研成果為母校120周歲慶生。