水系铝离子电池虽然成本低廉、安全性好,但铝负极与氢的副反应和钝化形成的氧化膜、正极容量有限等问题迟迟没有解决,导致AAIB能量密度、循环稳定性等远不能达到实际应用的标准,研究具有更好电化学性能的AAIB体系也成了其发展的关键。近日,广东工业大学的芮先宏教授及其合作团队提出了一种全新的AAIBs体系,可以有效地抑制上述问题,大大的提高电池的电化学性能。相关论文以题为“Architecting a Stable High-Energy Aqueous Al-Ion Battery” 在Journal of the American Chemical Society上发表。

论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c05054

凭借铝的高丰度、低成本、高价态等优点,可充电铝离子电池逐渐成为有望代替锂离子电池的下一代储能器件的有力竞争者。目前性能较好的铝电池所使用的离子液体电解质成本高昂、腐蚀性强、对水氧敏感,完全不适合实际生产,而水系电解液则可以很好的避免这些问题。但在AAIB体系目前也有着许多问题有待解决。使用水系电解液时铝负极会受到钝化膜、副反应和枝晶的影响,而诸如TiO2负极虽然较为稳定,但电极的容量过低,与人们的期望相去甚远。

本文作者针对以上问题,利用MnO原位反应成AlxMnO2作为正极,并提出通过简单地电镀,制备Al-Zn合金作为AAIB负极材料。该方法仅在Zn箔上通过简单地电镀制成,并且Al负极中Zn元素的加入可以有效地抑制钝化和自放电反应,并大大提高库伦效率(通过抑制与氢气的副反应)。并且由于Al3+较Zn2+的电位更低,在充放电过程中Al3+会形成一个正电荷静电 “盾”,抑制金属枝晶的生长。种种优势也电化学测试中得到体现:所制备的AAIB放电电压高达1.6V,并在100 mA h g-1的电流密度循环80圈后比容量达到空前的460 mA h g-1,是迄今为止所报道的放电电压比容量和最高AAIB电池。

总结来说,作者使用AlxMnO2为正极、Al-Zn合金为负极、2 M Al(OTF)3为电解液,研制出一种全新的AAIB体系。其中合金负极展现了超过1500 h的使用寿命。而所组装的全电池更是表现出了合适的放电电压、良好的循环稳定性和倍率性能。该研究工作是研发具有令人满意的电化学性能的AAIB的重要一步,并为其未来的商业应用开辟了良好的前景。(文:Today)

图1 (a) 不同锰氧化物还原的AlxMnO2的理论容量;(b) MnO和AlxMnO2的XRD图;(c)-(f) MnO和AlxMnO2的HRTEM图;(g) AlxMnO2的STEM图和对应的元素映射图;(h) MnO和AlxMnO2的EXAFS光谱图;(i) MnO向AlxMnO2转变的结构示意图。

图2 (a)-(c) 锌箔和Al-Zn合金的SEM图;(d)-(i) Al-Zn合金的XRD图、高能同步加速器XRD图、XPS光谱图XANES光谱图和EXAFS光谱图。

图3 负极的电化学性能测试结果和反应机理示意图。

图4 所组装的AAIB全电池电化学性能测试结果。

图5 (a) 充放电后AlxMnO2的XANES光谱图;(b) AlxMnO2正极在第一次循环中的非原位XRD图;(c) AAIB全电池的CV曲线图;(d)-(e) 循环后Al-Zn负极的EXAFS光谱图和SEM图。

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京瓷锂电小编:本文所指铝离子电池相交当前锂离子电池,最大的优势就是原料易得,成本更低。采用水系更加环保,生产更易于实现。当然,该种技术路线的工业化道路还很长, 拭目以待。

2021年03月27日

一种全新的高性能水系可充电铝离子电池

本文提出以AlxMnO2为正极、Al-Zn合金为负极、Al(OTF)3为电解液组装成新一代可充电水系铝离子电池(AAIB),可有效抑制铝枝晶生长,提高电池的循环稳定性。这一研究为实际应用高性能、低成本AAIB的提供了机会。
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