南京大学金钟教授团队Energy Storage Mater.：设计并构建无负极铝离子电池 - 铝电池负极原来不必要用“金属铝”

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近期，南京大学金钟教授团队提出了无负极铝离子电池的概念并构建一系列非金属铝作为负极集流体的无负极铝离子电池，对其进行电化学表征以及机理研究，打破了传统铝离子电池负极一定是金属铝的观念，为未来提供了新的方向，有助于加速铝离子电池领域的研究及实际应用。相关成果以标题为“Initial-Anode-Free Aluminum Ion Batteries: In-depth Monitoring and Mechanism Studies”发表在Energy Storage Materials。南京大学硕士研究生王雷和博士研究生宋欣美为论文的共同第一作者。此研究得到国家自然科学基金等资助支持。

图1. 无负极铝离子电池示意图，以及原位拉曼/XRD装置的内外部结构示意图。

图2. 不同负极集流体（ACC）铝离子电池的电化学性能表征。

本文构建的无负极铝离子电池选择石墨纸（GP）作为正极材料，AlCl3/EMImCl作为电解液，不同种类的石墨和金属材料包括GP, Mo, Cu, Ag, Ni, steel 和Mg 片作为负极集流体，结果发现得到的无负极铝离子电池都可以正常地进行充放电，证实铝电池负极可以不是金属铝。

图3. 对石墨负极集流体的无负极铝离子电池的正负极进行表征，探究石墨ACC侧和石墨正极侧机理。

一系列原位和非原位表征证明，在石墨正极侧，充/放电过程中AlCl4-与石墨发生嵌入/脱出反应，与之前的文献报道一致。在负极侧，证明石墨以及金属Mo, Cu, Ag, Ni, steel 和Mg负极集流体发生的是Al的沉积/溶解反应。说明在AlCl₃/EMImCl离子液体基铝电池中负极侧的金属铝只起到导电作用，任何具有导电性的碳材料或者金属材料都可以作为无负极铝离子电池的负极集流体。

图4.非原位表征探究负极集流体侧的工作机制及性能衰减机理。

本文结合非原位SEM和EDS发现，对于耐腐蚀性能差的金属作为负极集流体时，例如金属Cu, Ag, Ni, steel 和 Mg，得到的无负极铝离子电池容量衰减快，库伦效率低，表现出的电化学性能差。相反，对于耐电解液腐蚀性能强的金属来说，石墨和Mo表现出了和金属Al作为负极时相当的性能，是无负极铝离子电池负极集流体的有利选择。

本文的研究提出无负极铝离子电池概念并构建一系列不同负极集流体的无负极铝离子电池，为未来的研究有指导作用。但是，于负极集流体而言，本文对于每一个负极集流体材料的研究深度仍然有限；于正极材料而言，本文采用了最简单的石墨纸，对石墨或石墨烯类层状碳材料进行层间距和纳米形貌调控，这也是未来高性能无负极铝离子电池研究的潜在方向。

作者简介

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金钟，南京大学化学化工学院教授、博士生导师、南京大学天长新材料与能源技术研发中心主任。2003年和2008年分别获得获北京大学化学与分子工程学院学士和博士学位。2008-2014年先后在美国Rice大学和麻省理工学院进行博士后研究。2014年起任教于南京大学，先后入选了国家海外高层次人才计划青年项目、国家自然科学基金优秀青年科学基金、科技部创新人才推进计划、国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才。目前担任江苏省化学化工学会青年工作委员会主任委员、江苏省能源研究会储能专委会委员、江苏省汽车工程学会动力电池专委会委员、学术期刊《Frontiers in Chemistry》副主编、《Nano Research》、《Chinese Chemical Letters》、《Journal of Electrochemistry》和《SmartMat》青年编委等学术任职。主要研究领域是能源化学和材料化学，包括：清洁能源转换与存储材料的结构设计、物理化学机制研究和功能器件应用。已在Nature Commun.、JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.等学术期刊发表SCI论文>170篇，他引>11000次，H因子55。已在Nature Commun.、JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.等学术期刊发表SCI论文>170篇，他引>12000次，H因子55。主持国家重点研发计划“纳米科技”重点专项青年科学家专题项目、装备预研教育部联合基金青年人才项目、JW科技委GF科技创新特区项目、国家自然科学基金国际合作及面上项目、江苏省杰出青年基金等科研项目。获得了2021年国家自然科学二等奖(5/5)、2018年教育部自然科学一等奖(4/7)、江苏省教育教学与研究成果二等奖(1/5)、2017年江苏省首届创新争先奖状、江苏省双创人才、2016年江苏省“六大人才高峰”高层次人才、入选全国“大众创业万众创新活动周”核心展区等奖励和荣誉。

课题组主页：https://hysz.nju.edu.cn/zhongjin/main.psp

原文链接

Initial-Anode-Free Aluminum Ion Batteries: In-depth Monitoring and Mechanism Studies

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721005067

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