新加坡南洋理工大学颜清宇教授水系铝离子电池Small综述
新加坡南洋理工大学颜清宇教授水系铝离子电池Small综述
【文章信息】
可充电水系铝离子电池：进展与展望
第一作者：贾贝尔，Ai Qin Thang
通讯作者：颜清宇*, 陈建*
单位：新加坡南洋理工大学, 西安工业大学
【研究背景】
安全问题和锂资源的稀缺性促使研究人员寻求锂离子电池的替代品。可充电水系铝离子电池具有理论比容量高、铝资源丰富、安全性高等优势，近年来越来越受到关注。然而，实现具有良好电化学性能的稳定电极和无副反应的电解液仍然具有挑战性。本综述总结了近年来在正负极材料的探索以及电解液的选择方面取得的进展，并介绍了高性能水系铝离子电池的主要挑战和未来研究展望。本文为未来的研究提供了指导，有助于加速水系铝离子电池领域的研究。
【文章简介】
近日，来自南洋理工大学的颜清宇教授与西安工业大学的陈建教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Rechargeable Aqueous Aluminum-Ion Battery: Progress and Outlook”的综述文章。该综述文章总结了水系铝离子电池近年来在正负极材料的探索以及电解液的选择方面取得的进展，并介绍了主要挑战和未来研究展望。
【本文要点】
要点一：负极材料
文章介绍了过渡金属氧化物和铝金属/合金两类负极。其中铝金属/合金负极具有更大的优势。然而由于相当负的铝沉积电位和铝表面自发形成的钝化层，在水系溶液中实现可逆铝沉积一直是一大挑战。有研究表明一种人工固体电解质界面（ASEI）可以防止氧化铝钝化层的形成，并实现铝离子的可逆沉积。但另有研究认为该ASEI在水系电解液中不稳定，会在较短时间内溶解从而失效。还有研究者开发了锌铝合金负极，初步实现了锌诱导的铝沉积。此外也有报道表明在盐包水电解液中可以实现可逆的铝剥离/沉积，但需要更多的研究来验证。为了研究铝沉积的可逆性，建议直接观察该现象，例如用原位显微镜检查铝沉积和气泡的产生的程度。
要点二：正极材料
文章总结了过渡金属氧化物、普鲁士蓝类似物、碳材料、有机物等正极。过渡金属氧化物具有较高的输出电压和初始比容量，但它们的循环稳定性较差。比如在锰氧化物中，锰的溶解是容量损失的重要原因。在电解液中添加锰盐是一种习惯性的缓解措施。但需要注意锰添加剂在正极上的沉积会增加活性材料的实际用量，使计算出的比容量偏大。而对于普鲁士蓝类似物，低容量掩盖了其固有的优势。
在水系系统中，搭配AlCl3电解液，碳基正极具有两个放电电压平台。但长平台对应于较低的电压，限制了能量密度。总之，目前还没有同时满足高电压、大容量和稳定循环的正极材料。由于三价铝离子的高电荷密度，很难照搬使用在其他多价金属离子电池中成功的正极材料。有必要改性现有材料，开发新材料。此外，鉴于目前绝大多数AAIB正极都是基于插层机制，转换型材料值得更多关注。
要点三：电解液
目前AAIB电解液主要基于AlCl3和Al(OTF)3两种铝盐。Al(OTF)3最近被广泛使用，因为它的腐蚀性较小，并且表现出更好的电化学性能。但是Al(OTF)3有含氟（对环境不友好）和成本高的缺点，因此迫切需要研究和开发新的电解液。与其他水系电池一样，AAIBs的电解液也需要有足够宽的电化学稳定窗口(ESW)，以防止在工作电压范围内发生副反应。ESW通常通过线性扫描伏安法测量。
对于此类测试，在选择工作电极和对电极时应额外注意，防止得到假象。工作电极需要有与铝接近的HER过电势才具有参考价值。对电极应稳定且不易极化。此外，由于电解液的高酸度引起的腐蚀问题也需要引起重视。集流体和电池壳等其他电池组件不应与电解液发生反应，以免干扰实验结果。在扩大ESW方面，可尝试探索其他水系电池中的有效策略，如高浓度、分子拥挤、反溶剂的添加、阳极液和阴极液解耦、调节pH。
要点四：展望
深入了解电化学反应机理比追求性能指标（如容量）更重要。建议进行原位表征以弥合宏观电化学性能和微观物理/化学变化。结合先进的表征和计算方法进行系统研究是必不可少的。建立和总结普遍的理论和策略可以为AAIBs的发展奠定坚实的基础。综上所述，尽管近年来取得了一些进展，但AAIBs的发展仍处于起步阶段，存在一些瓶颈和巨大的可能性。相信在研究人员的共同努力下，AAIBs将在合适的储能应用中充分发挥优势。
【文章链接】
Rechargeable Aqueous Aluminum-Ion Battery: Progress and Outlook
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202107773
【通讯作者简介】
颜清宇教授简介：现任新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院教授。分别于南京大学和纽约州立大学石溪分校获得学士和博士学位，之后在伦斯勒理工学院进行博士后训练。2008年加入南洋理工大学材料科学与工程学院任助理教授，2018年成为教授。现任电化学学会新加坡分会主席。自2018年起成为英国皇家化学会会士。在电池、热电材料、电催化等研究领域发表了超过300篇论文（总引用次数超过35000次，h-index为99）。
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