JACS：巧妙设计稳定高性能的水系铝离子电池

可充电铝离子电池凭借其高丰度、高容量、低成本和高安全性等突出优点，在储能领域受到了广泛的关注和研究。目前的研究偏重于以离子液体为电解液的铝基电池。然而，离子液体电解液的严重腐蚀性，对H₂O/O₂的高敏感性以及高成本阻碍了铝离子电池的实际应用。因此，考虑到成本、安全性等因素，水系的铝离子电池（AAIBs）成为储能系统的理想选择。然而铝负极易形成钝化膜以及发生析氢副反应，制约了其进一步的研究。此外，缺乏容量高、稳定性好的正极材料同样限制了水系铝离子电池的发展。因此，欲制备稳定性好且容量高的水系铝离子电池，需同时对正、负极进行合理的设计。近日，新加坡南洋理工大学颜清宇教授课题组联合美国德州大学奥斯汀分校余桂华教授课题组、广东工业大学芮先宏教授课题组通过原位合金化的方式构筑了不易钝化的Zn-Al合金负极；同时通过使用富锰的MnO作为前驱体制备了Al_xMnO₂正极材料。使用上述正、负极与三氟甲磺酸铝（Al(OTF)₃）电解液组装成AAIBs时，在100 mA g^-1的电流密度条件下循环80圈后，容量仍可稳定在460 mAh g^-1。这一成果近期发表于Journal of the American Chemical Society上。

图1和图2的结构表征表明通过原位转换成功制备了Al_xMnO₂正极材料。前驱体MnO的两电子转换反应使得正极材料的理论容量较高。

图1. (a) 不同电荷转移数与Al_xMnO₂的理论容量关系图；(b) XRD图谱；(c-f) MnO与Al_xMnO₂的HRTEM照片；(g) EDX面扫描照片；(h) MnO与Al_xMnO₂的EXAFS光谱图；(i) MnO转换到Al_xMnO₂的示意图。

图2. (a,b) XPS光谱图；(c) Mn K-edge的XANES 光谱；(d) MnO和Al_xMnO₂的一阶微分光谱。

图3的结构表征表明在Zn片基底上形成了厚度约为30 μm的沉积层；沉积层由15-30 nm的颗粒组成；该沉积层为电化学原位还原所形成的Zn-Al合金。

图3. (a-c) Zn片与其表面形成的Zn-Al合金的SEM照片；(d,e) XRD图谱；(f,g) XPS光谱；(h) XANES光谱图；(i) EXAFS光谱图。

图4的电化学性能测试发现，所设计的水系铝离子电池具有较高的容量与较好的循环稳定性；此外，电池的电压平台为1.58 V，高于Al作为负极时1.10 V的电压平台；当电流密度为3 A g^-1时，其容量仍能达到100 mAh g^-1，恢复到1 A g^-1后，容量仍能达到230 mAh g^-1，倍率性能优异；同时，该电池可以有效抑制自放电现象，具有一定的应用价值。

图4. (a) 循环性能；(b) 性能对比；(c) 充放电曲线；(d) CV曲线；(e) 倍率性能；(f) 交流阻抗谱；(g) OCV随时间变化的曲线。

综上，该研究团队巧妙设计正、负极材料，制备了新型的水系铝离子电池，实现了容量与稳定性的有效提高。该性能源于正极材料较高的理论容量以及负极材料有效抑制形成钝化膜的能力。所提出电极材料设计策略还可以应用于其他水系电池体系，促进该领域的发展。

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Architecting a Stable High-Energy Aqueous Al-Ion Battery

Chunshuang Yan, Chade Lv, Liguang Wang, Wei Cui, Leyuan Zhang, Khang Ngoc Dinh, Huiteng Tan, Chen Wu, Tianpin Wu, Yang Ren, Jieqiong Chen, Zheng Liu, Srinivasan Madhavi, Xianhong Rui, Qingyu Yan, Guihua Yu

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05054