西安交大科研团队在高面容量可充电铝电池研究方面取得新进展

铝作为地球上最丰富的金属元素，具有高导电性、高热导性和低成本等优点。铝阳极的理论体积容量和质量容量分别为8048 mAh·cm-3和2981 mAh·g-1，远高于其他多价金属离子的理论能量密度。此外，铝在空气和水中的超高稳定性也提高了铝电池的安全性能。然而，铝电池的实用化道路仍然存在许多障碍，其中铝阳极的枝晶生长是最重要也是最容易被忽视的问题。目前，大多数研究人员在探索铝电池阳极时都是基于低面容量（0.08-0.4 mAh·cm-2）和厚隔膜（主要是Whatman GF/D玻璃纤维隔膜），这不利于探索实用化可充电铝电池阳极的失效机理。增加正极活性物质面负载量能够减少铝塑膜、电解质、集流体和隔膜等材料的使用量，提升铝电池器件的能量密度。然而，大的面负载量将不可避免地增加单位面积铝的沉积量。如果没有均匀的电流密度分布，铝会在电荷聚集点连续沉积并形成枝晶。在这种情况下，使用薄隔膜更会加速电池短路故障的发生。

针对这一问题，西安交大化学学院杜显锋教授团队利用激光刻蚀和阳极氧化技术制备了P-Al2O3/Al阳极，它不仅增加了电极的有效活性面积，而且形成了稳定的电极/电解质界面，使铝发生均匀地电沉积。这种阳极在5 mAh·cm-2的面容量下保持稳定循环1400小时以上。当高电流密度设置为10 mA·cm-2时，受保护的阳极在2900次循环中也显示出优异的电池稳定性。此外，使用P-Al2O3/Al阳极的480 mAh软包电池在0.5V至2.5V的电压下可以保持170 Wh·kg-1的能量密度和90%的能量效率（基于正极活性成分计算）。

近日，该研究成果以《空间限域生长策略助力高面容量可充电铝电池》（Space Limited Growth Strategy for Ultra-high Areal Capacity Rechargeable Aluminum Batteries）为题发表在国际能源领域顶级期刊《能源存储材料》（Energy Storage Materials）上。该论文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., 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/S2405829723002052?via%3Dihub

杜显锋教授课题组主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/xianfengdu