澳门大学许冠南、东英吉利大学许冠山、科廷大学邵宗平Carbon Energy：无枝晶三维铝阳极助力铝金属电池

Electrodeposition of a dendrite-free 3D Al anode for improving cycling of an aluminum–graphite battery.

Junfeng Li, Kwan San Hui*, Shunping Ji, Chenyang Zha, Chengzong Yuan, Shuxing Wu, Feng Bin, Xi Fan, Fuming Chen, Zongping Shao*, Kwun Nam Hui*

Carbon Energy. (2021).

DOI: 10.1002/cey2.155

研究背景

铝金属电池由于其丰富的资源和自身的高安全性，显示出作为下一代储能电池的巨大潜力。然而，铝金属阳极应用的关键限制，如传统铝金属电池中的铝枝晶和腐蚀问题，仍然具有挑战性，需要进一步探索得以解决。

基于此，澳门大学的许冠南副教授、东英吉利大学的许冠山教授及科廷大学的邵宗平教授课题组通力合作合理设计了一种新的电沉积策略，通过碳布作为基底，制备了一个优异的三维铝阳极，其结构能够降低金属铝沉积过程中的局部电流密度并减缓整个过程中阳极体积的变化。基于此三维铝阳极，可以实现大于450小时的可逆的铝阳极沉积和剥离，组装成的铝-石墨电池在1A g^-1下表现出800次的长循环和54 mAh g^-1的放电比容量。该成果以“Electrodeposition of a dendrite‐free 3D Al anode for improving cycling of an aluminum–graphite battery”为题发表在Carbon Energy。

本文亮点

1. 为了解决金属平面铝阳极的难题，开发了无枝晶的三维铝阳极，它具有紧凑和均匀的铝沉积。

2. 应用不同的电极和处理过的电解液，研究了铝金属剥离/电镀的电化学行为。

3. 受益于三维铝阳极的高可逆性和动力学，实现了铝-石墨电池的卓越性能（在1A g^-1的条件下，800次循环后达到54 mAh g^-1）。

图文解析

⊙处理后电解液的性能

图1.（A）电解液处理前后照片 （B）电解液的Raman图（C）不同电极腐蚀的极化曲线图（D,E）不同电解液中铝沉积的SEM图

要点

被处理后的电解液具有更优异的铝氯配离子，可以帮助实现铝金属的高度可逆沉积（图1b）。其具有更低的腐蚀性，可以为金属铝阳极提供稳定的环境，减少腐蚀副反应的发生（图1c）。SEM图中展示了在被处理的电解液中可以实现高质量的铝沉积（图1d，e）

⊙三维铝阳极的结构表征

图2.（A）平面和三维铝电极在处理前后的电解液中沉积铝金属的示意图（B，C）在4mAh cm^-2的铝沉积后电极的SEM图

要点

相比于二维平面铝箔，集成的三维铝阳极具有优异的铝金属沉积和均匀的形态，有利于在铝金属电池中显示出更优异的的性能（图2）。

⊙三维铝阳极对称电池的性能

图3.（A）对称电池的循环性能（B）倍率性能（C, D）铝沉积剥离时的库伦效率和充放电曲线

要点

使用三维铝阳极对称电池显示出稳定的电压曲线，在450小时内具有较低的电压滞后~170mV，并且与铝箔阳极相比，显示出相对平坦的电压平台（图3a）。同时它还具有高的倍率性能（图3b）和99.7%的稳定库伦效率（图3c，d）。

⊙高性能的铝-石墨全电池

图4.（A）电池在200mA g^-1下的循环性能 （B）倍率性能 （C,D）不同倍率下的充放电曲线，（E）电池在1A g^-1下的长循环性能

要点

电化学测试结果表明，三维铝阳极提高了全电池的电化学性能，实现了更优异的长循环和倍率性能。在1A g^-1的大电流密度下循环800次后，也能保持54mAh g^-1的比容量。显然，作为电池重要部分的负极的优化，能够进一步提高铝金属全电池的电化学性能。

文章总结

这项研究展示了一种新的电沉积策略，以制备一个优异的3D铝阳极。所制备的阳极在处理过的电解液中，抑制了铝枝晶的形成，并进行快速的电子反应。三维铝阳极的碳布基底提供了高比表面积和导电性，进一步降低局部电流密度和成核过电势。优化后的三维铝阳极可实现450小时的可逆电沉积。在铝金属电镀/剥离过程中具有99.7%的库伦效率。组装的全电池，在800次循环后显示出54 mAh g^-1的放电比容量。这项研究强调了三维铝阳极的合理设计原则对铝金属电池的实际应用的重要性。

相关论文信息

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论文标题：

Electrodeposition of a dendrite-free 3D Al anode for improving cycling of an aluminum–graphite battery.

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.155

DOI:10.1002/cey2.155

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