手机1分钟充满电？华人团队在斯坦福研究铝离子电池
手机1分钟充满电？华人团队在斯坦福研究铝离子电池
导读：29岁的鲁兵安昨早六点在斯坦福大学化学系实验室开始了实验，他和团队成员正在完善一种前所未有的电池：阳极是铝，阴极是石墨，电池可以随意弯折，向内钻孔不会起火。手机外接上这种电池设备，不到一分钟就能充满电。这个令人期待的新型电池被称为快速充放电铝离子电池
　　29岁的鲁兵安昨早六点在斯坦福大学化学系实验室开始了实验，他和团队成员正在完善一种前所未有的电池：阳极是铝，阴极是石墨，电池可以随意弯折，向内钻孔不会起火。外接上这种电池设备，不到一分钟就能充满电。这个令人期待的新型电池被称为快速充放电铝离子电池，研发结果在近日的《》杂志上在线发表，来自湖南大学的副教授鲁兵安作为共同第一作者备受关注。但何时能用上充电快还不怕自燃的铝离子电池，时间还尚未可知。
　　反常实验取得突破
　　电池被广泛用于我们的生活，目前，市面上常见的电池包括锂离子电池和碱性电池，但碱性电池因含有铅汞等原料有污染环境的危险，手机等电器中频繁使用的锂离子电池也不乏缺陷：容量低、寿命短，高温或碰撞时容易自燃或爆炸，一度被飞机货舱&拒载&。
　　界一直致力于研究替代品或升级品。可充电铝电池30年来一直处于概念阶段，铝电池正极材料易被腐蚀、不能有效放电等难题难以突破。
　　2013年6月，斯坦福大学化学系戴宏杰教授的课题组启动了科研项目，计划做一个能充放电的铝电池。
　　去年5月，湖南大学物理与微电子科学学院副教授鲁兵安以访问学者的身份去美，他加入了这个由6个华人年轻研究者组成的团队，继续攻克铝离子电池。
　　&当时我们手工做了上百个电池，但都没有成功，大家都快放弃了&，鲁兵安回忆说，&2014年6月一天晚上12点，我冒着毁坏设备的危险，反常理地实验了下大电流充放电，居然成功了。&
　　在鲁兵安的那次反常实验后，课题组有了更明确的目标，经过后续无数次实验，他们取得突破性成果，并在《自然》杂志发表了论文。
　　《自然》杂志认为该研究成果首次实现了可充电铝离子液体电池，可应用于现代各种电子设备从而改善人类的生活方式。作者：Jiaxin Zheng 来源：NL 发布时间： 15:31:18
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在锂电池超快速充放电研究获突破
随着锂离子电池在现代社会中的广泛应用，如电子产品、国防军事、电动汽车、可再生能源存储等，人们也对锂离子电池的性能提出了更高的需求。其中尤为重要的是锂离子电池的功率密度，而影响其功率密度的最重要因素是其倍率性能，即充放电速度。这将直接影响电动汽车的应用前景和可再生能源（如太阳能和风能）的快速存储和释放。尽管超级电容和氧化液流电池也具有快充快放性能，但其成本昂贵，且容量和循环稳定性都不及锂电池，所以发展超快速（超高倍率）性能的锂离子电池成为当今能源材料领域研究的重点和热点。
近日，深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队与复旦大学吴宇平教授合作在此领域取得重大突破。通过实验和理论计算，他们发现自主研发的纳米LiFePO4电池在水溶液中具有超快充放电速度，在600C（.6秒）充放电倍率下，容量可保持理论容量的42%。这一倍率性能超过2009年MIT Ceder教授在Nature上报道的最快充放电速度（400 C下容量保持36%），同时也发现比同等条件下有机电解液的充放电速度快约10倍。通过电化学实验和模拟，及量子化学第一性原理计算，发现LiFePO4超充放电的机理，关键是LiFePO4纳米颗粒与不同电解液接触形成的新的固液界面结构，该固液界面的结构成为锂离子脱嵌过程及锂离子输运速度的决速步。LiFePO4与水溶液电解质接触后，表面化学吸附键合水分子的氧原子弥补了表面的对称性破缺，形成了与体相对称性一样的结构，同时又形成了一层水合界面。这层界面不仅有类似于体相的结构，同时也具有溶液中锂离子的水合结构，形成一层Janus（古希腊神话中的双面神）界面。这将降低锂离子在界面处的脱嵌能垒，有利于锂离子溶剂化和去溶剂化过程。此项研究将为今后进一步提高锂离子电池倍率性能提供新的方法和视角，即通过调控正极材料的界面性质提高锂电池的倍率性能。相关工作近期发表在国际材料顶级期刊上面。
新材料学院博士后郑家新、段彦栋，复旦大学侯宇阳是该论文的共同第一作者。该工作的合作作者还包括美国伯克利国家实验室的Lin-Wang Wang教授、美国陆军实验室的Xu Kang教授、中科院化学所林原教授。该项工作得到了国家新能源汽车（动力电池）技术创新项目、广东省引进科技创新团队项目、深圳市科技创新基础项目、美国能源部以及深圳国家超算中心的支持。
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缺电族看过来
一分钟可充满电的铝电池“马上驾到”
斯坦福大学一个华人为主的研究小组6日在《自然》杂志网络版刊登研究报告，介绍他们最新研发的铝电池。这款高性能可充铝电池，造价低、容量大、可折叠、不易燃、寿命长、更环保，可以成为常规电池的安全替代品。最吸引人的是，只要一分钟就能完成充电。　　新款铝电池 充电快使用频次多　　
据了解，这次科学家们研发的铝离子电池拥有很完美的属性，不会像其他一些电池产品有爆炸隐患，而且充电次数可达7500次，只需要1分钟就可充满。在试验中，铝电池经过7500多个充电、放电周期，电容量并没有损失。　　
相比之下，其他研究机构的铝电池在经过约100个周期后通常无法再用，而锂电池也只能经受约1000个周期。由于铝和石墨属于柔性材料，使铝电池可以弯曲、折叠而不影响性能，并且比锂电池更加便宜。　　不可更换电池手机 换电池只需三步　　
快速充电电池的出现以及随后产品的量产，对很多手机控缺电一族都是一个大福音。作为普通消费者，如何给自己无法更换电池的手机换上这样的电池呢？记者和几位发烧友对多款手机更换电池的流程进行了拆解。　　
安卓机发烧友赵磊说，如果该电池实行量产，三分之二的安卓系统手机都是可以更换电池的，只需要打开后盖，取下电池就可以完成更换。　　
“但是像苹果手机等一些不可更换电池的手机，换起来就相对麻烦，但也并非不能更换。”从事多年手机维修的贺师傅说，只要未来生产了相应型号铝电池，相比iPhone 4和4S，更换iPhone5、iPhone6电池相对容易。　　
因为iPhone 5和iPhone 6机身外采用了跟小4和4S一样的螺丝钉固定，直接用起子拆开iPhone，然后动用吸盘把iPhone的屏幕吸起，但不完全剥离；第二步是拆离屏幕组件，拧开三枚螺丝钉，撬开金属板后，把它保护着的电线接头从主板分离开来；最后就可以拆换电池了，把电池与主板的连接器拆了，就能提起电池的标签，将电池拉出来更换即可。　　
华商报记者 苏军生&
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Nature发表的铝电池
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&&就​是​那​个​超​级​火​热​的​斯​坦​福​发​在​N​a​t​u​r​e​上​的​铝​电​池​文​章​ ​这​个​已​经​公​开​了​ ​不​算​侵​权​哦
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你可能喜欢电瓶车快充，会不会影响电池的寿命？
快充就是大电流充电~可以加快充电时间。下面我再说一下这个锂电池充电过程~~~
上图中横坐标为
上图中横坐标为时间，纵坐标为锂电池电压。由于锂电池的特殊性，过压或者欠压都会导致电池报废，所以现在的锂电池充放电保护电路原理就是测量锂电池电压，再根据电压判断锂电池是否处于正常状态（非过压、非欠压）。
锂电池的充电电流如上图粉红色线所示。锂电池的充电分为三个阶段，分别是恒流预充电、大电流恒流充电与恒压充电。
当电压低于3.0V时，充电器会采用100mA电流对锂电池进行预充电，就是上图C C Pre-charge阶段，中文名字叫恒流预冲电阶段，目的是慢慢恢复过放电的锂电池，是一种保护措施来的。合格的充电器都会有这个充电阶段。
然后与问题有关的就来了。当锂电池电压高于3.0V时，就进入到第二阶段，大电流恒流充电阶段（C C Fast charge）。由于锂电池经过第一阶段的预充，其状态已经比较稳定了（预充阶段的作用可以这样理解~但并不严谨）。所以在第二阶段，充电电流就可以适当提高，根据不同的电池来说，这个电流的大小可以从0.1C到几C不等，其中C是指电池容量，如2600mAh的锂电池，0.1C就是指260mA大小的电流。
在这一个充电阶段中，国家建议的标准充电是用0.1C电流进行充电的，这个就是标准充电。不过标准充电这个标准由于提出的时间很早，十几年前的就提出来。那时候因为锂电池技术远远不如现在稳定（不允许大电流充电），所以才会有这样一个标准~~~采用标准充电的唯一好处就是充电过程稳定，发生爆炸之类的几率非常小；缺点就是费时间！！！而快速充电，就是指在这个阶段用大于0.1C的电流进行充电。如果锂电池容量为2600mAh，那么标准充电的电流为260mA，只要充电电流大于260mA，就可以定义为快速充电了。不过就从目前的锂电池水平与充放电管理芯片的水平来说，用1C的电流充电都没问题。所以快速充电也没有想象中的那么危险。一般快速充电的充电电流为0.2~0.8C，所以快速充电还是安全的。由于近几年来的提升，现在的充电器基本上都是快充类型的。
而锂电池充电的最后一个阶段为恒压充电阶段，这个阶段就是检测到锂电池电压等于4.2V时，充电器则进入恒压充电模式，这个阶段充电电压恒定为4.2V，充电电流则越来越小（慢慢充满了，电流肯定变小~）。当充电电流小于100mA时，就判断电池充满，切断充电电路。这一阶段的特性，也可以解释为什么手机指示充满电后，拔出USB线再插进去，手机又显示继续充电。
另外，需要说一下的是：以上的充电是针对于单节锂电池的最理想充电过程，目前的合格锂电池充放电保护板都是这样子工作的。
电瓶车的电瓶一般有铅酸蓄电池和锂电池两种。这些电瓶都是由若干的电池成组而成的（铅酸蓄电池类型的由6个或者8个串并联组成；锂电池类型的则由若干个锂电池串并联组成）。而涉及到电池组的充电方式，这里又有另外的一个大问题了，就是电池均衡问题。关于电池均衡问题，我在这里不再详说，百度一下就可以了。我只能说目前的绝大多数电瓶车电池都没有电池均衡管理，所以这个导致了电池组的寿命远远不如单个电池的寿命，这也解释了为什么电瓶车的电池不耐用，一年左右就报废了~~~同时也解释了当前电动汽车发展的困境就是电池成组技术的限制。
简单来说结论就是：快速充电是指充电电流大于0.1C的充电方式，这种充电方式对于单个锂电池来说，对寿命与稳定性等的影响非常小；但是如果对于电瓶车电池组来说的话，快充就是用时间换取电池寿命的一种行为。
最后要说的是：使用标配充电器对电瓶车充电没问题；但是对于那些打着10分钟充满电的充电站来说，就要注意了，使用这些充电站绝对大大影响电池寿命。
另外，对于电池组来说，电池均衡意义更重要。快充对电池组的寿命有影响正是因为电池组均衡问题没有解决。
对碳负极体系锂离子电池，锂离子插入石墨层的电位和锂离子单质析出的电位相差不多，一般情况是锂离子优先进入石墨层，但在&b&低温或快速充电&/b&情况下，锂离子会优先在负极表面析出单质，负极表面原本有一层半透膜（SEI膜，隔绝电解液和锂碳反应但保证能通过锂离子），随着单质形成一定程度破裂，单质锂和电解液反应，经过多次的这样过程，参加反应的锂离子和电解液会减少，表现为容量的快速衰减。
对碳负极体系锂离子电池，锂离子插入石墨层的电位和锂离子单质析出的电位相差不多，一般情况是锂离子优先进入石墨层，但在低温或快速充电情况下，锂离子会优先在负极表面析出单质，负极表面原本有一层半透膜（SEI膜，隔绝电解液和锂碳反应但保证能通过锂离…
发现这个答案的关注度上升了，原本只是想报道一下09年这两个科研大牛的口水战，反而让现在很多知友感觉云里雾里，这里献上道歉，想看结论的知友请无视文献直接下拉到底。&br&~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~&br&最近正好阅读了相关文献，前来强答。&br&关于快速充放电本质的解释，最高票已经给出了答案，作为电化农，来解答一下题主的副问——电瓶车快充，会不会影响电池的寿命？&br&这里以锂离子电池为例。&br&MIT的Ceder教授在09年的《Nature》上发表了一篇当人骇人听闻的“Battery materials for ultrafast charging and discharging”，这里直接上干货：&br&&img src=&/de4bbfd1dba047b2392db_b.png& data-rawwidth=&1071& data-rawheight=&674& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&1071& data-original=&/de4bbfd1dba047b2392db_r.png&&我们看黄色highlight的部分，他们用的磷酸铁锂作为正极材料，这是一种正交晶系的橄榄石结构，如下图所示：&br&&img src=&/c1f7c7cc40ab4cba4d2a672_b.png& data-rawwidth=&480& data-rawheight=&294& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&480& data-original=&/c1f7c7cc40ab4cba4d2a672_r.png&&&br&他们在通过控制化学计量比制备了具有快Li+导体表面相的通过控制化学计量比制备了具有快Li+&br&导体(Li3PO4、Fe2P、Li4P2O7)表面相的LiFePO4,该材料拥有极其优异的倍率性能:可以在10～20s内完成放电！！！！这个得有多牛逼，看看他的性能：&br&&img src=&/67b8bcedb70ba00f08fa41e9_b.png& data-rawwidth=&510& data-rawheight=&576& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&510& data-original=&/67b8bcedb70ba00f08fa41e9_r.png&&上图a所示为标准磷酸铁锂的放电曲线，但是他木有给充电曲线！！！！！！虽然他给了50C（电流密度=3.86mg·cm-2）的放电比容量，还在图b中给了50周的容量保持率，但是如果不给出充电曲线既有可能让人以为是用小倍率即长时间充电然后再短时间放电的遐想，也就不是如题所说的快充快放了。&br&&img src=&/923e8b66be961f0f14d2dbdc68db0a35_b.png& data-rawwidth=&553& data-rawheight=&477& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&553& data-original=&/923e8b66be961f0f14d2dbdc68db0a35_r.png&&&img src=&/3be9a440bdcc8dd8e12092_b.png& data-rawwidth=&524& data-rawheight=&362& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&524& data-original=&/3be9a440bdcc8dd8e12092_r.png&&如上两幅图可以看出，最为牛逼的200C（18s）放电比容量100mAh/g出现了，&b&400C（9s）居然还能有60mAh/g的容量贡献，&/b&也就是说也就是说1秒钟的时间内放出了将近7mAh/g的容量！！六脉神剑的即视感有木有！！！依旧，没有给充电曲线·····&br&他们给出了这种快充快放的前景与应用领域：&br&&img src=&/eb36155f5dfdfb_b.png& data-rawwidth=&610& data-rawheight=&248& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&610& data-original=&/eb36155f5dfdfb_r.png&&题主，看到了吗？绿色部分，&b&5分钟内（12C）能用180kW功率搞定典型的一台插电式混合&/b&，而且满满的正能量哦！&br&然而，不久之后就遭受一记组合拳，来自Research institute of Hydro-Québec的Zaghib、德州奥斯丁的骨灰级大牛Goodenough（&a href=&///?target=http%3A///link%3Furl%3D_cg4TbYjwhaCP0LYBi_PhnFg0HUDfBEpTekjYTRZNDDqTqAJO1AKst-ytgU8a_LT2Ytl6QTeyDBqn3VbwukkLa& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&John B. Goodenough_百度百科&i class=&icon-external&&&/i&&/a&）、Université Pierre et Marie Curie（巴黎第六大学或者皮埃尔和玛丽居里大学）的Mauger以及Julien联合撰写了一篇短文“Unsupported claims of ultrafast charging of LiFePO4 Li-ion batteries”，开门见山就是一句：“ In this context, &br&we wish to call attention to a deceptive paper that recently appeared in &i&Nature&/i&, which &br&has
impossibly
recharging
rate &br&capability for a Li-ion battery of 9 seconds! ”&br&&img src=&/c222eca074d5eac56b30bc_b.png& data-rawwidth=&611& data-rawheight=&556& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&611& data-original=&/c222eca074d5eac56b30bc_r.png&&&br&在这篇简短的调查中，他们给出了14个质疑，再亲自用Ceder的材料尝试后从材料的化学计量式、表征方案、电池的装配和导电剂的搭配、倍率计算、方法可行度乃至锂离子扩散系数的数值等多个角度吐槽，内容太多无法全部翻译出来，最后他讲到了一个安全性能方面的隐患：&br&&img src=&/45ab303bcfa50b6e6b54241d_b.png& data-rawwidth=&765& data-rawheight=&554& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&765& data-original=&/45ab303bcfa50b6e6b54241d_r.png&&经过他的计算，可以知道在内阻只有0.25Ω的情况下，既有多达60000kJ的热量产生，&b&而这相当于能给四层楼供暖的热量！&/b&&br&并且，即便你的电池没有被汽化，在电池如此小空间的体积内，在充电结束以前，你要用170L的凉水来让电池降温（原话是：&b&要消散&/b&&b&60000kJ的热量，相当于把170升的水煮沸！&/b&）。在你的电动车结束充电的几秒钟内，你要迅速地用170升的水来急速降温哦。所以，根据老爷子的说法，900A的电流下快充快放体系对于安全性能的要求（在Ceder的实验条件下）是极高极高极高的！对于电动车的机械强度、热稳定性的影响没法估量！！！！&br&当然，严谨一些，老爷子他们并没有让电动车制造企业进行安全测试，其实以Goodenough个人名望而言，企业会进行封装电池（不是半电池）的安全测试。也有可能，企业也知道这样做的后果可能会让测试车辆报废甚至将发电系统完全熔毁所以干脆不做？？&br&这里给出这两篇文章的链接：Ceder：&a href=&///?target=http%3A///nature/journal/v458/n7235/full/nature07853.html& class=& external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&&span class=&invisible&&http://www.&/span&&span class=&visible&&/nature/journ&/span&&span class=&invisible&&al/v458/n7235/full/nature07853.html&/span&&span class=&ellipsis&&&/span&&i class=&icon-external&&&/i&&/a&&br&古爷：&a href=&///?target=http%3A///science/article/pii/S9987& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&Unsupported claims of ultrafast charging of LiFePO4 Li-ion batteries&i class=&icon-external&&&/i&&/a&&br&~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~&br&&br&貌似Ceder也给了回应，我回去再读读。&br&&br&&br&~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~&br&有 &a data-hash=&ffa74aabe4b895caa5ce3& href=&///people/ffa74aabe4b895caa5ce3& class=&member_mention& data-editable=&true& data-title=&@oooostrich& data-tip=&p$b$ffa74aabe4b895caa5ce3&&@oooostrich&/a& 知友给出了Ceder反击文的链接：&a href=&///?target=http%3A//web.mit.edu/ceder/publications/Kang_JPS_2009_accepted.pdf& class=& external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&&span class=&invisible&&http://&/span&&span class=&visible&&web.mit.edu/ceder/publi&/span&&span class=&invisible&&cations/Kang_JPS_2009_accepted.pdf&/span&&span class=&ellipsis&&&/span&&i class=&icon-external&&&/i&&/a&，在这篇文章中他们给出了充电曲线，另外Ceder的那篇Nature有SUPPLEMENTARY INFORMATION，同样在上面给的链接里，看完后过段时间更新内容，谢谢知友们。&br&&br&~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~&br&综上所述，快速充电的方式确实非常诱人，在实验室的操作也显示处较高的可行性，不过在安全测试数据没有出来之前我支持反对者的意见，毕竟由这么大电流带来的这些热量在快充这么短时间内的消散很成问题，而且电池这种小体积的封闭体系很容易在这些热量的怂恿下异化为小型炸弹。当然，这并不是说将来不会有人成功地研制出符合快速充电安全保障的材料，不过我想这些问题的迎刃而解很多是要交托给企业的现场工程师和工艺人员，如何改善电池包装空间和电芯设计，在电动车上如何调整电路板和核心部件的位置，以及附加水冷或者热量导出装置的开发，这些问题可能都是实业人员需要解决的，相信在不久后应该就能实现，下面给链接：&br&&a href=&///?target=http%3A///1/443/443456.htm& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&5分钟充满电动车 快充技术就要到来了-5分钟,充满,电动车,快充,技术&i class=&icon-external&&&/i&&/a&&br&~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
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