【人物与科研】中国石油大学（华东）邢伟教授团队：一类有前景的铝离子电池正极材料--稠环芳烃

导语

在众多的二次电池体系中，铝离子电池（AIBs）因为负极铝金属储量大、成本低和非可燃性电解液安全性高等优点脱颖而出，具有超过锂离子电池近4倍的超高理论体积比容量（8040 mAh cm^-3）和优异的理论质量比容量（2980 mAh g^-1）。近日，中国石油大学（华东）邢伟教授团队报道了稠环芳烃可以作为AIBs正极材料并且表现出优异的电化学性能。相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie. 202114681）。

邢伟教授课题组简介

从事电化学能源储存与转化材料、能源化工材料等领域的研究。近年来，邢伟教授课题组围绕电化学储能以及电催化等方面开展了一系列工作，在Angew. Chem. Int. Ed.、Energy & Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Energy Chem.、Carbon、J. Mater. Chem. A等国际知名期刊发表130余篇论文。获山东省自然科学一等奖2次，教育部自然科学一等奖1次。

邢伟教授简介

邢伟，中国石油大学（华东）材料科学与工程学院教授、博导、山东省杰青，山东省“泰山学者”。

前沿科研成果

一类有前景的铝离子电池正极材料--稠环芳烃

在前期工作中，研究人员发现石墨类材料可作为铝离子电池的正极材料，其储能机理是通过AlCl₄^-进入石墨层间形成插层化合物来实现能量储存（最高储能形态为四阶插层化合物），导致电池的理论容量偏低。受石墨大共轭π键的启发，探究单层具有共轭结构的化合物是否具有储铝活性以及单层共轭结构能否突破多阶插层化合物形成对储铝容量的限制具有重要的研究意义。

论文作者选用具有小共轭体系的苯及稠环芳烃（PAHs），包括苯（C₆H₆）、萘（C₁₀H₈）、蒽（C₁₄H₁₀）、芘（C₁₆H₁₀）、苝（C₂₀H₁₂）、六并苯（C₂₂H₁₂）和晕苯（C₂₄H₁₂）作为研究对象，首先采用量子化学计算的方法从理论上预测其用于AIBs正极材料的可能性。计算结果表明，这些分子结构中的共轭π键与AlCl₄^-存在中等强度的相互作用（-0.78~-1.26 eV），具有作为铝离子电池正极材料的潜力。

图1. 稠环芳烃作为AIBs正极材料活性位点理论分析

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

图2. 稠环芳烃与储能活性离子相互作用理论分析

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

此外，随着稠环芳烃中苯环个数的增加，理论比容量总体上呈现负相关性。在理论计算的指导下，作者实验研究了理论比容量相对较高的蒽。

图3. 稠环芳烃的理论容量变化规律及三环蒽、四环芘和七环晕苯的实际容量  

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

电化学测试表明，蒽展现出了出色的电化学性能，在100 mA g^-1的电流密度下，放电比容量可高达152 mAh g^-1，800 圈循环后，电池容量仍可以保持在130 mAh g^-1，容量保持率约为86%。

图4. 蒽电极的电化学性能

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

理论计算结合原位拉曼光谱等实验研究表明，蒽作为AIBs正极材料的储能机制是基于蒽分子与AlCl₄^-的平面吸附相互作用，主要的活性位点为蒽分子结构中的共轭π键和γ C-H键。

图5. 蒽电极储能机理表征

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

综上，本文构建了一种基于稠环芳烃正极材料的可逆AIBs。量子化学计算和可靠的实验证据表明，PAHs平面结构中的共轭π键和γ C-H键与AlCl₄^-之间适度的相互作用可以实现储铝。这项工作将为寻找用于AIBs甚至其他储能设备的高性能电极材料开辟了新的视野，也拓宽了AIBs正极的材料类型。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie. 202114681），该论文作者为：Dongqing Kong,^‡ Tonghui Cai,^‡ Haodong Fan, Haoyu Hu, Xiaohui Wang, Yongpeng Cui, Dandan Wang, Yesheng Wang, Han Hu, Mingbo Wu, Qingzhong Xue, Zifeng Yan, Xuejin Li*, Lianming Zhao* and Wei Xing*。上述研究工作得到了国家自然科学基金（51877216、21773309、21805307、21905300、22109178、22109180）、山东省自然科学基金（ZR2020MB078、ZR202103040491）、泰山学者支持计划（tsqn20161017）、中石油创新基金（2018D-5007-0504）、青岛市博士后应用研究计划基金（qdyy20200077）和中央高校基础研究基金（18CX05007A、19CX05001A、19CX05002A、21CX06011A）。

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