西安交大杜顯鋒教授團隊《Nano Energy》：底部生長策略助力高面容量可充電鋁電池
日期 : 2023-06-26 來源：
近年來，全球能源系統已經由化石能源向可再生能源轉化，而能源存儲是可再生能源利用的關鍵。能源存儲有多種方法來實現，而以電化學方式儲存能量的電池是效率最高且能夠大規模應用的一種方法。鋁電池（AIB）因其低成本、高理論容量（理論體積比容量和質量比容量分別為8048 mAh·cm-3和2981 mAh·g-1）和高安全性（遇水和空氣時不燃燒）而受到廣泛關注。然而，由于金屬陽極電池在充電過程中不受控制的表面形態、化學反應和流體動力學過程，枝晶的生長不可避免。最近的研究表明，3D金屬陽極可以增加電極和電解質之間的有效接觸面積，降低電極的局部電流密度，從而防止電極表面的腐蝕和枝晶生長。但由于較高的電場強度和較短的離子擴散路徑，金屬顆粒仍然傾向于優先沉積在電極的頂部區域。對于大面容量的鋁電池系統，不可避免地會增加單位面積鋁的沉積量。大量的鋁沉積物會在正負電極之間架起橋梁，加劇枝晶生長，這將嚴重損害電池的長期穩定性和安全性。
針對這一問題，西安交大化學學院杜顯鋒教授團隊提出了一種底部生長模式的鋁電池陽極結構（2P-Al2O3/Al陽極），它可以提供反向電場強度（Ebottom>Etop）來誘導Al的定向沉積。即使在大面積容量的情況下，也可以形成穩定的電極-電解質界面。與傳統的平面Al相比，2P-Al2O3/Al陽極結構具有以下關鍵優點：（1）2P-Al2O3/Al陽極重新分布了電極的電場，誘導Al優先沉積在電極的底部，這增加了隔膜和沉積物之間的安全距離；（2） 大的比表面積豐富了Al的成核位點，有助于降低成核勢壘；（3）3D電極結構減輕了Al沉積過程中的電極膨脹問題。2P-Al2O3/Al陽極具有更穩定的電極-電解質界面和更長的循環壽命。即使在5 mAh·cm-2的大面積比容量下，它仍然可以連續工作1200小時以上，是平面鋁陽極的6倍多。該策略和方法對于組裝具有高能量密度和高循環穩定性的鋁電池具有重要的現實意義。
近日，該研究成果以題為Bottom Growth Strategy for High Areal Capacity Rechargeable Aluminum Batteries （底部生長策略助力高面容量可充電鋁電池）發表在國際頂級期刊《Nano Energy》（納米能源）上（影響因子為19.1）。該論文的第一作者為西安交大化學學院博士研究生王世新，論文通訊作者是西安交大化學學院杜顯鋒教授和熊禮龍副教授。西安交通大學為唯一通訊單位。該研究工作是西安交通大學化學學院杜顯鋒教授課題組在鋁電池領域的又一研究成果，并且獲得國家自然科學基金和陜西省自然科學基金重點項目的支持。西安交大化學學院杜顯鋒教授長期從事電解電容器、鋰（鈉）離子電池、鋁離子電池、超級電容器、柔性可穿戴傳感器的電極材料、電介質、電解質、固體化、柔性化、一體化等研究。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.等國際知名學術期刊和國際會議上發表相關研究論文60余篇，申請發明專利近50項。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285523004639
杜顯鋒教授課題組主頁：
http://gr.xjtu.edu.cn/web/xianfengdu
審核人：杜顯鋒
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