综述：可充电铝离子电池

本文对铝离子电池的发展历程、电极结构设计、电解液设计及反应机理进行了系统总结。揭示了铝离子电池中，阴阳离子在金属化合物及碳正极材料中的电化学行为。讨论了先进测试表征设备对于深入理解铝离子电池电化学机理所发挥的重要作用，及铝离子电池中的关键科学问题和未来发展方向。

Rechargeable Al-ion batteries

Caixia Li, Chun-Chao Hou, Liyu Chen, Stefan Kaskel,∗ and Qiang Xu ∗

EnergyChem 3,100049 (2021).

DOI: 10.1016/j.enchem.2020.100049

全文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2589778020300245

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研究背景：

能源危机和资源匮乏是限制社会经济快速发展的主要因素，而电化学储能是能源发展的重要环节之一。由于地壳中的锂资源匮乏，开发和研究可替代新型储能器件是一种有效的策略。铝是含量最丰富的金属元素，铝离子电池理论比容量和能量密度高，因而受到了研究者广泛关注。铝离子电池已有上百年研究历史，目前较常见的是基于离子液体电解液而设计的室温电池。但在其发展过程中仍存在一些亟待解决的科学问题：首先，难以寻找合适的电解液实现金属铝在室温下的溶解沉积过程；第二，正极材料种类少，限制电池容量进一步提升；第三，离子液体电解液对不锈钢电池壳等金属器皿存在较强的腐蚀作用，引发副反应。为实现电池性能的进一步提升，研究者在正极设计、负极保护以及电解液开发方面做出了一系列研究工作，其发展历程如图1所示。

图1.铝离子电池发展历程。

内容简介：

1. 电解质探索

电解质作为电池中一个十分重要的部件对电化学反应过程与机理具有决定性影响，水系电解液、离子液体以及固态电解质在铝离子电池中均被研究和报道。在过去的100多年里，关于铝离子电池电解液的设计报道层出不穷，对于不同电解液中离子行为有深入的认识和理解。水系电解质是将铝盐溶解在水溶液中配制获得，在正负极材料内部实现离子嵌入脱出完成充放电过程。离子液体电解液是将三氯化铝溶解在有机物中而获得，呈酸性，可以实现金属铝负极的溶解沉积过程。铝离子电池固态电解质一般是利用凝胶状材料作为介质，将电解质制成固态或准固态放置在电池内部。本文将不同电解液的工作机理进行了总结分析，并举例说明电解液设计原理。

2. 铝离子电池正极设计

铝离子电池正极材料设计所面临的巨大挑战是设计获得较高工作电位的正极材料，实现可逆离子嵌入脱出。AlCl₃/[EMIm]Cl是最常用的一种离子液体电解液，已经在铝离子电池中广泛应用，基于这种电解液，研究者展开电极材料的设计研究，碳材料(如石墨烯、碳纳米管、膨胀石墨)和金属化合物(如硫化物、硒化物、磷化物)等都在铝离子电池中展现出优异的性能。对碳正极而言，电池通过AlCl₄^-阴离子团簇的嵌入脱出行为完成充放电过程；而对于金属化合物正极，呈现出嵌入脱出及转换反应两种不同储能机制。

3. 负极保护策略

在使用过程中，铝负极存在枝晶生长的问题，容易引发电池短路以及金属负极的不可逆消耗。铝负极的界面化学反应过程如图所示，氧化铝薄膜包覆在金属铝表面，在首次循环中氧化铝薄膜被消耗，并且形成SEI膜，同时金属铝暴露成为沉积的活性位点。伴随着循环次数增多，枝晶逐渐形成，甚至会刺穿隔膜导致电池短路。另外，铝枝晶容易与基体分离，从而导致负极不可逆损耗。关于铝枝晶生长的电化学机理需要更进一步探究。

图2. 铝负极电化学反应过程。

本文还介绍了铝离子电池中常见的测试、理论计算等手段及其对于加深电化学过程理解的重要作用。最后，铝离子电池的发展需要从多方面共同突破，从而获得稳定性更高、安全性更好、性能更优的储能器件。

作者简介：

李彩霞 2014年和2019年6月分别获得山东大学学士和博士学位，2019年8月加入徐强教授研究团队，在日本产业技术综合研究所-京都大学化学能源材料开放创新实验室从事博士后研究，主要研究方向为金属有机骨架化合物衍生多孔材料在储能领域的应用。

Stefan Kaskel在Tübingen学习并获得博士学位(1997年)。曾在J. D. Corbett团队中开展博士后研究工作，之后曾作为Max Planck Institute for Coal Research研究组组长。自2004年6月起，担任TU Dresden大学无机化学专业教授；自2008年起，兼任Fraunhofer Institute实验室负责人。主要研究领域为多孔纳米结构材料在储能、催化、电池和分离技术中的应用。

QiangXu, 南方科技大学讲席教授，日本工程院，欧洲科学院和印度国家科学院院士。先后担任日本产业技术综合研究所（AIST）首席研究员，AIST-京都大学化学能源材料开放创新实验室主任，兼任京都大学教授，神户大学教授，扬州大学特聘教授，香港理工大学特别荣誉教授。主要研究领域为纳米结构材料的化学及其在催化和能源方面的应用。2012年获得汤森路透研究前沿奖，2019年获得洪堡研究奖，连续多年入选汤森路透-科睿唯安高被引科学家(2014-2020)。

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