焦树强AM: 电极与集流体间的“死区”实现5万次循环的铝离子电池！

通常，活性离子插层后电极会发生体积膨胀，这会显著降低电极和集流体之间的粘附力。尤其是在铝离子电池（AIBs）中，大尺寸AlCl₄^–的插层会大大削弱这种粘附力并导致电极与集流体分离，这似乎是一个固有且不可调和的问题。

为此，北京科技大学焦树强教授等人，以克服上述挑战。在这个概念中，作者将负电荷结合到集流体的表面以产生与AlCl₄^–运动方向相同的电场并迫使AlCl₄^–远离集流体方向，从而阻止AlCl₄^–完全到达集流体表面。最终，在电极和集流体之间的界面处形成了一个微小的“死区”，在这个小区域内屏蔽了正极材料并使其不受AlCl₄^–插层和去除反应的影响。

这样既保证了电极的结构完整性，又稳定了电极与集流体的界面，从而有效地解决了电极与集流体的分层问题。在这项工作中，作者选择了MXene （Ti₃C₂T_x）薄膜作为首选材料，以证明“死区”概念并实现稳定、轻质、耐用和低成本的AIBs集流体。

图1. Ti₃C₂T_x薄膜的合成及结构表征

研究证实，大量的OH和COOH基团结合到MXene薄膜的表面上并在其表面形成丰富的负电荷区域，从而屏蔽了正极材料在其“死区”中的AlCl₄^–插层。同时，其粗糙和不平整的表面确保了电极和集流体之间的紧密接触。此外，Ti₃C₂T_x薄膜具有比其他金属箔或碳质材料更高的氧化电位。当使用Ti₃C₂T_x薄膜作为集流体时，AIB在100 mA g^-1的电流密度下经过100次循环后的比放电容量保持在约120 mAh g^-1。

甚至，在10 A g^-1的电流密度下，AIB成功实现了高达50000次的循环寿命，这是AIBs非自支撑正极中循环时间最长的。此外，Ti₃C₂T_x薄膜还表现出优异的机械柔韧性，在可穿戴设备应用中显示出巨大的前景。总之，该研究为实现AIBs的商业化提供了一条途径，提出的概念还可帮助指导对摇椅电池中集流体的探索。

图2. 基于Ti₃C₂T_x薄膜集流体的AIB电化学性能

The Negative-Charge Triggered“Dead Zone”Between Electrode and Current Collector Realizes Ultralong Cycle Life of Aluminum-Ion Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202205489

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