5分鐘就能充滿電，科學家利用瀝青將電池充電速度提高20倍〡高工前沿

高工導讀：最近，美國萊斯大學（Rice University）的一項研究顯示，在大容量鋰電池中加入一點瀝青能夠將充電速度提高 10 到 20 倍。

圖 | 利用電子掃描顯微鏡，左圖為擁有瀝青，石墨烯納米碳管以及金屬鋰的正極材料；右圖為不含有瀝青的正極材料。這種材料由美國萊斯大學研製，並能夠被用來製造充電速度為鋰電池 20 倍的高容量電池。

萊斯大學化學家 James Tour 的實驗室研製出了一種利用瀝青製造的多孔碳材電池陽極材料。這種陽極材料在 500 多次充放電循環後仍然能夠保持穩定。由於這種材料能夠承受高達 20 毫安每平方厘米的電流密度，利用這種材料的電池將能夠實現需要高功率密度的快速充放電。

James Tour 表示：「利用這種材料，我們將能夠製造出超大容量的電池。不過，更令人興奮的一點是這種電池將能夠在 5 分鐘內完全充滿電，而不像其他電池一樣需要 2 小時及以上才能充滿。」

過去，實驗室的研究課題是利用天然瀝青來吸收天然氣中的溫室氣體。如今在研究電池時，研究人員將這種瀝青與導電的石墨烯納米帶混合，並利用電化學沉澱方法將金屬鋰電鍍到這種混合物中。

接下來，研究人員利用這種正電極材料與硫化碳負電極材料製造出了可供測試的電池。經過實驗，這種電池擁有高達1322 瓦特每千克的功率密度，以及高達943 瓦時每千克的電能密度。

實驗結果同時展示出這種電池的另一個好處：電池中的碳阻止了鋰結晶的形成。這些鋰結晶會不斷佔據電解質的空間。當結晶過長時，它們有可能將電池短路，造成火災甚至爆炸。但是，瀝青中的碳阻止了鋰結晶的形成。

在此實驗室過去的一項研究中，研究人員發現利用石墨烯以及碳納米管製造的正電極材料也能夠阻止鋰結晶的形成。然而，Tour 表示這種新的材料更加簡單。

Tour 繼續表示：「雖然利用這兩種正電極材料製造的電池容量基本都達到了鋰電池的理論最大容量，新的瀝青碳材料能夠在同樣的面積中包含更多的金屬鋰，使這種新電池生產更加簡便以及便宜。與上一種電池相比，這種新電池的製造將不會包含化學氣相沉積步驟，電子束蒸發步驟，並不需要利用石墨烯製造碳納米管。這樣一來，新電池的製造過程將大大簡化。」

由於金屬鋰擁有極高的比容量以及極低的電化勢，它一直是鋰電池中正電極的最佳選擇。但是，鋰電極帶來的鋰結晶問題一直是可充電電池產業的一個重大挑戰。

在這項研究中，我們利用價格低廉的天然瀝青製造的多孔碳材作為金屬鋰的基礎。這種多孔碳材擁有高達 3000 平方米每克的表面積，使金屬鋰能夠在這些表面上形成碳鋰材料（Asp-Li）。

石墨烯納米碳管將能夠在高電流密度的情況下增加電極的導電性，形成 Asp–GNR–Li 材料。

這種材料展現出了驚人的性能：5 A/gLi (1.3C) 到 40 A/gLi (10.4C)，並擁有>96% 的庫倫效率。在 5 A/gLi (1.3C) 的情況下，電池能夠穩定進行 500 多次充放電循環。

電池的區域容量在最高的 20 mA/cm2 充放電率條件下達到了驚人的 9.4 mAh/cm2，這樣的結果是普通鋰電池的 10 倍，使這種電池能夠實現超快速充電。利用 Asp–GNR–Li 正極材料以及硫化碳負極材料製造的電池擁有高達 1322 瓦特每千克的功率密度，以及高達 943 瓦時每千克的電能密度。

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