北理工吴川团队：界面修饰引导铝二次电池“无枝晶”铝沉积

北京理工大学吴川教授团队利用一种简便的方法对铝负极的表面进行化学修饰。该策略成功在铝负极表面构建了新的F-Al-O化学键，并以此调控铝沉积的形貌，抑制铝枝晶生长，在铝二次电池中实现了“无枝晶”的铝沉积，从而提升了对称电池与全电池的电化学性能。

铝在地壳中储量丰富，作为金属负极时具有极高的理论比容量（高达8040 mAh cm⁻³的体积比容量和2980 mAh g⁻¹的质量比容量），因此铝负极在二次电池研究中极具吸引力。由于铝金属表面存在氧化膜，常规水系铝电池负极中铝金属的沉积/溶解过程会受到阻碍，而离子液体电解液的使用可以去除氧化膜，实现铝负极中铝的沉积/溶解。除了对新型正极材料的开发，铝金属负极的改进对提升铝二次电池的性能同样重要。“铝枝晶”是铝金属负极面临的关键问题之一，持续生长的“铝枝晶”会刺穿隔膜，造成铝电池的短路和失效，故抑制“铝枝晶”的生长对电池的稳定循环十分重要。尽管研究者们提出了多种抑制“铝枝晶”的策略，但仍未能采用较为简单的方法优化铝负极界面从而调控铝沉积形貌。

近期，北京理工大学吴川教授团队报道了一种简便的界面修饰策略，成功在铝负极表面原位构建了F-Al-O化学键，提升了对称电池与全电池的循环寿命等性能（见下图）。不同于常规铝负极，氟基化学键的引入可以调控铝沉积的形貌，引导铝金属的平面化沉积，从而抑制了铝枝晶的生长，DFT计算也对此机理提供了理论阐释。

论文第一作者为北京理工大学博士生刘文昊，通讯作者为吴川教授、白莹教授和李雨副研究员。详见：Wenhao Liu, Yu Li, Bo Long, Haoyi Yang, Lumin Zheng, Ying Bai, Feng Wu, Chuan Wu, Surficial modification enabling planar Al growth toward dendrite-free metal anodes for rechargeable aluminum batteries. Sci. China Chem., 2024, 67, DOI: 10.1007/s11426-023-1940-1.

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【通讯作者简介】

李雨 北京理工大学副研究员，硕士生导师，入选中国博士后创新人才支持计划，作为项目负责人承担国家自然科学基金面上项目/青年项目、博士后科学基金面上一等资助、北京理工大学研究生科技创新活动专项；并参与国家973计划、省重点研发计划、北京市教委科学研究与研究生培养共建项目等。以第一作者/通讯作者身份在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Chemical Society Reviews等顶级期刊发表论文多篇。

白莹 北京理工大学教授，博士生导师，入选英国皇家化学会会士、教育部新世纪优秀人才。长期从事先进储能材料研究，主要包括锂/钠/锌/铝电池等体系的关键材料、电极与电解液界面稳定性、电池热分析与热安全等基本科学问题。作为负责人主持国家863计划课题、国家自然科学基金、国家基础研发课题、国家重大专项课题等项目。在Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等国际刊物发表论文200余篇，授权50余项国家发明专利。

吴川 北京理工大学教授，博士生导师，入选国家高层次领军人才、英国皇家化学会会士、教育部新世纪优秀人才、北京市科技新星、北京市优秀人才。任Energy Material Advances副主编。主要关注能量储存与转换体系及其关键材料。作为负责人主持国家973课题、国家自然科学基金、北京市自然科学基金重点、教育部博士点基金等科研项目。

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