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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！

時間:2020-08-31 09:54來源:材料科學(xué)與工程 作者:綜合報道
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       導(dǎo)讀：本文提出以AlxMnO2為正極、Al-Zn合金為負極、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，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。這一研究為實際應(yīng)用高性能、低成本AAIB的提供了機會。
 
       水系鋁離子電池雖然成本低廉、安全性好，但鋁負極與氫的副反應(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)定性等遠不能達到實際應(yīng)用的標準，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隊提出了一種全新的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、高價態(tài)等優(yōu)點，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能器件的有力競爭者。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、對水氧敏感，完全不適合實際生產(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。使用水系電解液時鋁負極會受到鈍化膜、副反應(yīng)和枝晶的影響，而諸如TiO2負極雖然較為穩(wěn)定，但電極的容量過低，與人們的期望相去甚遠。
 
       本文作者針對以上問題，利用MnO原位反應(yīng)成AlxMnO2作為正極，并提出通過簡單地電鍍，制備Al-Zn合金作為AAIB負極材料。該方法僅在Zn箔上通過簡單地電鍍制成，并且Al負極中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+會形成一個正電荷靜電“盾”，抑制金屬枝晶的生長。種種優(yōu)勢也電化學(xué)測試中得到體現(xiàn)：所制備的AAIB放電電壓高達1.6V，并在100 mA h g-1的電流密度循環(huán)80圈后比容量達到空前的460 mA h g-1，是迄今為止所報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負極的電化學(xué)性能測試結(jié)果和反應(yīng)機理示意圖。
 
圖4所組裝的AAIB全電池電化學(xué)性能測試結(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負極的EXAFS光譜圖和SEM圖。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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