​复旦余学斌JACS：高可逆水系铝金属电池的溶剂化结构调控

铝金属因其丰富的自然资源和极高的理论容量（8056 mAh cm^-3）而被认为是水系电池的理想电极材料。然而，由于铝和 H₂O 在传统水系电解质中产生的一系列副反应，包括水分解、铝腐蚀和钝化，阻碍了水系铝金属电池的发展。

在此，复旦大学余学斌团队报道了通过在三氟甲磺酸铝的水系环境中引入极性吡啶-3-羧酸来优化 Al³⁺ 的溶剂化结构，从而抑制电解质中水的活性。此外，吡啶-3-羧酸分子可改变铝的表面能，从而抑制铝的随机沉积。因此，铝在混合电解液中的腐蚀受到了抑制，电解液的电化学稳定性也大大提高。

基于此，铝预插层 MnO₂ 正极的水系铝电池可实现显著的可逆性，在 0.2 A g^-1 的条件下，循环 600 次后能量密度仍能保持在大于 250 Wh kg^-1 的水平。

图1. Al(OTf)₃-PCA电解质体系的MD模拟

总之，该工作利用混合电解质中的极性溶剂PCA和溶解的Al³⁺发生了强烈的相互作用，从而调节了溶剂化结构，使水的分解在热力学上变得不利，从而提高了电池的电化学稳定性。此外，由于H₂O的活性受到限制，HE-0.6 中的铝负极表现出了卓越的倍率性能和长循环性能，其中铝/铝对称电池在 0.1 mA cm^-2的电流密度下可稳定工作1100 小时。

优化的Al溶剂化结构和PCA与H₂O之间的强插层提高了水合Al³⁺的活性，从而保持了Al_xMnO₂的电化学稳定性，在Al//HE-0.6//Al_xMnO₂ 全电池中显示出 600 个循环，这表明 PCA 在提高 AAIB 性能方面具有显著效果。

图2. 电池性能

Solvation Structure Regulation for Highly Reversible Aqueous Al Metal Batteries, Journal of the American Chemical Society 2024 DOI: 10.1021/jacs.3c13003