一年一度的冬至如期而至，
口袋裡的手機又到了“凍不凍”就黑屏關機的時刻。
下面這些尷尬到懷疑人生的時刻， 相信都是你我共同的回憶：
尷尬的背後， 暴露出的是現在廣泛使用的鋰電池的種種缺點。 除了在低溫、高溫條件下電池效能不穩定， 發生突然關機或爆炸的情況；鋰電池壽命有限， 常常在使用一兩年後， 滿格電池的續航能力大打折扣。
但是！在不久的將來， 這些都將不是問題！因為——
近日， 浙江大學高分子科學與工程學系高超團隊研製出的新型鋁-石墨烯電池。
這種電池可以在零下40攝氏度到120攝氏度的環境中工作， 可謂既耐高溫， 又抗嚴寒。
在零下30攝氏度的環境中， 這種新型電池能實現1000次充放電性能不減，
而在100攝氏度的環境中，
這種新型電池是柔性的， 將它彎折一萬次後， 容量完全保持；
而且， 即使電芯暴露於火焰中也不會起火或爆炸。
左圖：電池在冰鹽浴中工作；右圖：電池在高溫下不燃燒
12月15日， 相關論文Ultrafast all-climate aluminum-graphene battery with quarter-million cycle life發表於Science Advances， 第一作者為團隊的陳皓博士。
一片片泛著金屬光澤的深灰色薄膜， 就是團隊最新研發的石墨烯—鋁電池。 它的正極是石墨烯薄膜， 負極是金屬鋁。 把兩片電池串聯在一起， 就能點亮一組LED燈。 經過測試， 石墨烯正極的比容量達到120mAh/g（毫安培時每克），
鋁-石墨烯電池點亮了印有"ZJU120"的LED燈串
相比於鋰電池， 高超課題組研發的鋁-石墨烯電池展現出明顯優勢：一般電池隨著反復充放電， 比電容量會不斷降低， 這就是俗話說的‘不耐用’。
但這塊長相“毫不起眼”的鋁-石墨烯電池在這一點上則表現優異。如果把一次充電—放電作為一次迴圈，這種電池經歷25萬次迴圈，比電容量仍高達91%，幾乎沒有損失。
也就是說，如果智慧手機用上這種電池，每天哪怕充電10次，也能用上近70年。
“這種鋁—石墨烯‘超級’電池，倍率性能和迴圈壽命遠遠超過其他電池，比超級電容器具有更高的能量密度，相當的倍率性能和迴圈壽命。”高超說。
鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，廉價安全，在電池製備中是一種理想的負極材料。但是多年來，鋁電池的整體性能仍然比不上鋰離子電池和超級電容器。關鍵問題是要設計出能與鋁匹配、高效工作的正極材料，才能真正發揮出色的電化學性能。
2015年，斯坦福大學的戴宏傑課題組在Nature雜誌發表工作，採用高溫裂解石墨泡沫來製作正極，首次實現了比容量較高且可長迴圈的鋁離子電池。高超課題組受此啟發，嘗試用石墨烯膜來製作鋁電池的電極。
經過一年半摸索和積累，高超團隊提出了石墨烯正極材料的“三高三連續”設計原則。
“三高三連續”設計原則
“電池的性能，關鍵取決於電子和離子在正極和負極之間‘奔跑’的狀態。”高超說，電極材料要讓盡可能多的電子和離子暢通地奔跑，或者快速‘歸位’。如果路不夠多或者道路擁擠，性能就會受到影響。“三高”指微觀結構的高品質、高取向、高孔道率；“三連續”指宏觀結構上有連續的導電網路、連續的離子傳輸通道和連續的離子嵌層通道。
這一設計原則讓鋁—石墨烯電池的性能向前邁出一大步。之前，鋁電池的比容量一直在60mAh/g左右徘徊，可反復充放電次數也在數千次以內。
商業化仍有挑戰“現在一些智慧手機也有快充功能，看似電池很快充滿了，實際續航時間並不長。”高超說，而這種新型電池現在的實驗室資料是1.1秒就能充滿電，比電容量損失輕微。
這表明，未來如果用到手機上，充電5秒鐘通話2小時是完全可能的。但是，高超說，距離真正商業化還面臨很大的挑戰，需要更多科學家的努力和投入才能實現。
高超說，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，今後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，目前經典的離子液體電解質價格較貴，如果可以找到更廉價的電解質，鋁離子電池的商業前景將更寬廣。
論文連結：http://advances.sciencemag.org/content/3/12/eaao7233
課題組連結：http://polymer.zju.edu.cn/cg/
高超課題組
本文作者：周煒 朱原之
本文編輯：李靈
這就是俗話說的‘不耐用’。但這塊長相“毫不起眼”的鋁-石墨烯電池在這一點上則表現優異。如果把一次充電—放電作為一次迴圈，這種電池經歷25萬次迴圈，比電容量仍高達91%，幾乎沒有損失。
也就是說，如果智慧手機用上這種電池，每天哪怕充電10次，也能用上近70年。
“這種鋁—石墨烯‘超級’電池，倍率性能和迴圈壽命遠遠超過其他電池，比超級電容器具有更高的能量密度，相當的倍率性能和迴圈壽命。”高超說。
鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，廉價安全，在電池製備中是一種理想的負極材料。但是多年來，鋁電池的整體性能仍然比不上鋰離子電池和超級電容器。關鍵問題是要設計出能與鋁匹配、高效工作的正極材料，才能真正發揮出色的電化學性能。
2015年，斯坦福大學的戴宏傑課題組在Nature雜誌發表工作，採用高溫裂解石墨泡沫來製作正極，首次實現了比容量較高且可長迴圈的鋁離子電池。高超課題組受此啟發，嘗試用石墨烯膜來製作鋁電池的電極。
經過一年半摸索和積累，高超團隊提出了石墨烯正極材料的“三高三連續”設計原則。
“三高三連續”設計原則
“電池的性能，關鍵取決於電子和離子在正極和負極之間‘奔跑’的狀態。”高超說，電極材料要讓盡可能多的電子和離子暢通地奔跑，或者快速‘歸位’。如果路不夠多或者道路擁擠，性能就會受到影響。“三高”指微觀結構的高品質、高取向、高孔道率；“三連續”指宏觀結構上有連續的導電網路、連續的離子傳輸通道和連續的離子嵌層通道。
這一設計原則讓鋁—石墨烯電池的性能向前邁出一大步。之前，鋁電池的比容量一直在60mAh/g左右徘徊，可反復充放電次數也在數千次以內。
商業化仍有挑戰“現在一些智慧手機也有快充功能，看似電池很快充滿了，實際續航時間並不長。”高超說，而這種新型電池現在的實驗室資料是1.1秒就能充滿電，比電容量損失輕微。
這表明，未來如果用到手機上，充電5秒鐘通話2小時是完全可能的。但是，高超說，距離真正商業化還面臨很大的挑戰，需要更多科學家的努力和投入才能實現。
高超說，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，今後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，目前經典的離子液體電解質價格較貴，如果可以找到更廉價的電解質，鋁離子電池的商業前景將更寬廣。
論文連結：http://advances.sciencemag.org/content/3/12/eaao7233
課題組連結：http://polymer.zju.edu.cn/cg/
高超課題組
本文作者：周煒 朱原之
本文編輯：李靈