南大金钟EnSM:初始无负极铝离子电池的深入监测和机理研究

南大金钟EnSM:初始无负极铝离子电池的深入监测和机理研究
可充电铝离子电池(AIB)由于理论体积容量高、安全性好、来源丰富而备受关注。尽管在探索新型铝离子电池电极材料方面付出了巨大的努力,但其电化学机制仍有待进一步研究。
南大金钟EnSM:初始无负极铝离子电池的深入监测和机理研究
图1. 初始无负极AIB的示意图结构和原位表征系统
为此,南京大学金钟教授等人通过将商业石墨纸 (GP) 正极与AlCl3/[EMIm]Cl 电解液和各种负极集流体 (ACCs)(例如 GP、Mo、Cu、Ag、Ni、不锈钢和Mg 箔)耦合来组装AIB。结果表明,不含铝金属负极的AIBs仍然可以稳定充放电。
然而,基于不同ACCs的AIBs的电化学性能表现出很大差异,电化学稳定的ACCs(如 GP和Mo箔)表现出与铝负极相当的良好循环稳定性和高库仑效率(CE)。相比之下,金属ACCs易受Cl离子腐蚀,在长期循环测试中表现出相对较低的比容量和快速的容量衰减率。
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图2. 无负极AIB的电化学测量
为了进一步研究初始无负极AIB的详细工作机制,作者系统地进行了一系列原位和非原位光谱表征。在正极方面,原位拉曼和XRD分析证实了在充放电过程中 AlCl4阴离子可逆地嵌入/脱出GP夹层。
在负极方面,异位XRD、XPS、TEM、HRTEM、AES、SEM和EDS分析证实了循环过程中铝金属在ACCs表面的可逆电镀/剥离,基于不同ACC材料的初始无负极AIB在电化学性能上表现出很大差异。
实验结果表明,对Cl离子具有高抗腐蚀能力的碳或金属基材料可以作为构建初始无负极AIB的ACC材料。这项工作提出了初始无负极AIB的有趣概念并全面研究了详细的工作机制,揭示了其独特的工作原理和巨大的应用潜力。
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图3. 基于GP正极和GP ACC的AIB的原位和非原位表征
Initial-Anode-Free Aluminum Ion Batteries: In-depth Monitoring and Mechanism Studies, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.10.044

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