西安交大杜显锋教授团队《Nano Energy》：底部生长策略助力高面容量可充电铝电池

日期 : 2023-06-26    来源：

近年来，全球能源系统已经由化石能源向可再生能源转化，而能源存储是可再生能源利用的关键。能源存储有多种方法来实现，而以电化学方式储存能量的电池是效率最高且能够大规模应用的一种方法。铝电池（AIB）因其低成本、高理论容量（理论体积比容量和质量比容量分别为8048 mAh·cm^-3和2981 mAh·g^-1）和高安全性（遇水和空气时不燃烧）而受到广泛关注。然而，由于金属阳极电池在充电过程中不受控制的表面形态、化学反应和流体动力学过程，枝晶的生长不可避免。最近的研究表明，3D金属阳极可以增加电极和电解质之间的有效接触面积，降低电极的局部电流密度，从而防止电极表面的腐蚀和枝晶生长。但由于较高的电场强度和较短的离子扩散路径，金属颗粒仍然倾向于优先沉积在电极的顶部区域。对于大面容量的铝电池系统，不可避免地会增加单位面积铝的沉积量。大量的铝沉积物会在正负电极之间架起桥梁，加剧枝晶生长，这将严重损害电池的长期稳定性和安全性。

针对这一问题，西安交大化学学院杜显锋教授团队提出了一种底部生长模式的铝电池阳极结构（2P-Al₂O₃/Al阳极），它可以提供反向电场强度（E_bottom>E_top）来诱导Al的定向沉积。即使在大面积容量的情况下，也可以形成稳定的电极-电解质界面。与传统的平面Al相比，2P-Al₂O₃/Al阳极结构具有以下关键优点：（1）2P-Al₂O₃/Al阳极重新分布了电极的电场，诱导Al优先沉积在电极的底部，这增加了隔膜和沉积物之间的安全距离；（2） 大的比表面积丰富了Al的成核位点，有助于降低成核势垒；（3）3D电极结构减轻了Al沉积过程中的电极膨胀问题。2P-Al₂O₃/Al阳极具有更稳定的电极-电解质界面和更长的循环寿命。即使在5 mAh·cm^-2的大面积比容量下，它仍然可以连续工作1200小时以上，是平面铝阳极的6倍多。该策略和方法对于组装具有高能量密度和高循环稳定性的铝电池具有重要的现实意义。

近日，该研究成果以题为Bottom Growth Strategy for High Areal Capacity Rechargeable Aluminum Batteries （底部生长策略助力高面容量可充电铝电池）发表在国际顶级期刊《Nano Energy》（纳米能源）上（影响因子为19.1）。该论文的第一作者为西安交大化学学院博士研究生王世新，论文通讯作者是西安交大化学学院杜显锋教授和熊礼龙副教授。西安交通大学为唯一通讯单位。该研究工作是西安交通大学化学学院杜显锋教授课题组在铝电池领域的又一研究成果，并且获得国家自然科学基金和陕西省自然科学基金重点项目的支持。西安交大化学学院杜显锋教授长期从事电解电容器、锂（钠）离子电池、铝离子电池、超级电容器、柔性可穿戴传感器的电极材料、电介质、电解质、固体化、柔性化、一体化等研究。目前已在Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A, Carbon, ACS Appl. Mater. Inter., Adv. Mater., Inorg. Chem. Front., J. Am. Ceram. Soc.等国际知名学术期刊和国际会议上发表相关研究论文60余篇，申请发明专利近50项。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285523004639

杜显锋教授课题组主页：

http://gr.xjtu.edu.cn/web/xianfengdu

审核人：杜显锋