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廣東工業(yè)大學(xué)《JACS》：一種全新的高性能水系可充電鋁離子電池！

時(shí)間:2020-08-31 09:54來源:材料科學(xué)與工程作者:綜合報(bào)道

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導(dǎo)讀：本文提出以AlxMnO2為正極、Al-Zn合金為負(fù)極、Al(OTF)3為電解液組裝成新一代可充電水系鋁離子電池（AAIB），可有效抑制鋁枝晶生長(zhǎng)，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。這一研究為實(shí)際應(yīng)用高性能、低成本AAIB的提供了機(jī)會(huì)。

水系鋁離子電池雖然成本低廉、安全性好，但鋁負(fù)極與氫的副反應(yīng)和鈍化形成的氧化膜、正極容量有限等問題遲遲沒有解決，導(dǎo)致AAIB能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性等遠(yuǎn)不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，研究具有更好電化學(xué)性能的AAIB體系也成了其發(fā)展的關(guān)鍵。近日，廣東工業(yè)大學(xué)的芮先宏教授及其合作團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的AAIBs體系，可以有效地抑制上述問題，大大的提高電池的電化學(xué)性能。相關(guān)論文以題為“Architecting a Stable High-Energy Aqueous Al-Ion Battery”在Journal of the American Chemical Society上發(fā)表。

憑借鋁的高豐度、低成本、高價(jià)態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，可充電鋁離子電池逐漸成為有望代替鋰離子電池的下一代儲(chǔ)能器件的有力競(jìng)爭(zhēng)者。目前性能較好的鋁電池所使用的離子液體電解質(zhì)成本高昂、腐蝕性強(qiáng)、對(duì)水氧敏感，完全不適合實(shí)際生產(chǎn)，而水系電解液則可以很好的避免這些問題。但在AAIB體系目前也有著許多問題有待解決。使用水系電解液時(shí)鋁負(fù)極會(huì)受到鈍化膜、副反應(yīng)和枝晶的影響，而諸如TiO2負(fù)極雖然較為穩(wěn)定，但電極的容量過低，與人們的期望相去甚遠(yuǎn)。

本文作者針對(duì)以上問題，利用MnO原位反應(yīng)成AlxMnO2作為正極，并提出通過簡(jiǎn)單地電鍍，制備Al-Zn合金作為AAIB負(fù)極材料。該方法僅在Zn箔上通過簡(jiǎn)單地電鍍制成，并且Al負(fù)極中Zn元素的加入可以有效地抑制鈍化和自放電反應(yīng)，并大大提高庫倫效率（通過抑制與氫氣的副反應(yīng)）。并且由于Al3+較Zn2+的電位更低，在充放電過程中Al3+會(huì)形成一個(gè)正電荷靜電“盾”，抑制金屬枝晶的生長(zhǎng)。種種優(yōu)勢(shì)也電化學(xué)測(cè)試中得到體現(xiàn)：所制備的AAIB放電電壓高達(dá)1.6V，并在100 mA h g-1的電流密度循環(huán)80圈后比容量達(dá)到空前的460 mA h g-1，是迄今為止所報(bào)道的放電電壓比容量和最高AAIB電池。

總結(jié)來說，作者使用AlxMnO2為正極、Al-Zn合金為負(fù)極、2 M Al(OTF)3為電解液，研制出一種全新的AAIB體系。其中合金負(fù)極展現(xiàn)了超過1500 h的使用壽命。而所組裝的全電池更是表現(xiàn)出了合適的放電電壓、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。該研究工作是研發(fā)具有令人滿意的電化學(xué)性能的AAIB的重要一步，并為其未來的商業(yè)應(yīng)用開辟了良好的前景。（文：Today）

圖1 (a)不同錳氧化物還原的AlxMnO2的理論容量；(b) MnO和AlxMnO2的XRD圖；(c)-(f) MnO和AlxMnO2的HRTEM圖；(g) AlxMnO2的STEM圖和對(duì)應(yīng)的元素映射圖；(h) MnO和AlxMnO2的EXAFS光譜圖；(i) MnO向AlxMnO2轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 (a)-(c)鋅箔和Al-Zn合金的SEM圖；(d)-(i) Al-Zn合金的XRD圖、高能同步加速器XRD圖、XPS光譜圖XANES光譜圖和EXAFS光譜圖。

圖3負(fù)極的電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果和反應(yīng)機(jī)理示意圖。

圖4所組裝的AAIB全電池電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。

圖5 (a)充放電后AlxMnO2的XANES光譜圖；(b) AlxMnO2正極在第一次循環(huán)中的非原位XRD圖；(c) AAIB全電池的CV曲線圖；(d)-(e)循環(huán)后Al-Zn負(fù)極的EXAFS光譜圖和SEM圖。

(責(zé)任編輯：子蕊)

文章標(biāo)簽：鋁離子電池廣東工業(yè)大學(xué) JACS

作者：綜合報(bào)道，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明出處：http://www.www.astra-soft.com/qianyan//2020083134116.html

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