研究背景：具有高倍率性能的固態電池開發是新一代能源發展的主要趨勢。然而，固態電池的高倍率操作往往伴隨嚴重的界面極化和電壓激升，并出現容量和能量密度等電池性能的嚴重衰減，這在一定程度上限制了高倍率固態電池的發展。造成固態電池高倍率性能難以實現的原因主要為：(1) 固態電解質內部低的物質傳輸效率；(2) 固態電解質與電極界面緩慢的電荷轉移。

 

鋁(Al)離子二次電池因其低成本、易操作、高容量、結構穩定等優勢是新一代有望替代鋰離子電池的熱門儲能器件。與其它電池體系相比，鋁離子電池無復雜的固態電解質界面膜(SEI)，具有靈活的可多重配位活性陰離子，具有較低的離子插層障礙，因此被認為是快速充電儲能體系的佳選擇之一。目前，鋁離子液態電池分鐘內的超快充電和超萬次的長循環壽命已經得到證實，然而固態電池領域鋁離子電池的快充和長循環優勢尚未得到體現，有待進一步開發和探索。

 

論文詳情：近期，大連理工大學武湛君教授團隊與美國內布拉斯加州立大學(林肯)的譚力(Li Tan)副教授合作共同實現了一種兼具超快充電、長循環壽命、可柔性變形的石墨烯-鋁離子凝膠聚合物電池。

 

先，通過提出一種新型自支撐凝膠聚合物電解質(GPE)的制備方法，提高了GPE離子導電率達1.69 ×10−2S cm−1；然后，通過調整GPE與鋁金屬負極界面的Al沉積形貌，使其呈多級分型結構，加速了電解質/電極界面的電荷轉移速率；其次，通過筑建三維石墨烯正極/GPE一體化復合結構，增大了電極與電解質反應活性面積，縮短了離子遷移路徑。終所得柔性石墨烯-鋁離子凝膠聚合物電池比容量在20~200 A g−1電流密度范圍內穩定(122 mAh g−1)，功率密度可達469 kW kg−1，快充電速率達0.24 s (1000 A g−1)，可穩定循環超20,000次。另外，該工作還提出高倍率循環操作對鋁離子凝膠聚合物電池不僅無損，反而具有活化界面、降低反應能壘作用。高倍率循環后電池性能大幅提升，其中電池能量和功率密度可增大~17%。