南工大 Nano Letters：超快微波活化極化電子制備多孔鋁箔助力高能量密度電池

【背景介紹】

固體材料表面的合理設計推動了電子、催化、能源和生物等相關研究和工業技術的巨大進步。但是，沉積、相變等傳統的表面技術依賴于復雜的程序和設備。近年來，研究者利用新興的納米技術，實現功能化表界面的精確調控及修飾，成功應用于低維納米材料、量子點以及原子級分散的界面，包括通過改變表面組分實現目標功能，以及借助調控表面形貌優化界面特性。然而，金屬表面的多孔結構構筑仍受限于高溫燒結或成本昂貴的技術手段（如3D打印）。此外，在實際應用中還面臨操作難度高、規模化制備等挑戰。因此，亟待開發一種有效、可控、低成本的方法優化金屬的加工與修飾，從而進一步拓展其功能與應用。

【成果簡介】

近日，南京工業大學先進材料研究院黃維院士、朱紀欣教授和芮琨副教授（共同通訊作者）等人報道了基于Fe(NO₃)₃誘導氧化刻蝕，超快速、大規模制備具有多孔結構的鋁箔。利用微波相互作用的有效電子極化耦合，在幾分鐘內就可以在各種商業化鋁箔上實現直接的表面修飾，并且成功地將其擴展到塊狀鋁合金上。作為應用展示，將具有可調表面能的多孔鋁箔作為電池集流體，在提高循環穩定性和能量密度方面顯示出巨大的應用潛力。基于此構建的LiFePO₄-Li電池在550次循環后，可逆容量保持率為85.2％（與商用Al/C鋁箔相當），而能量密度約是基于原始鋁箔的LiFePO₄-Li電池的3倍。研究成果以題為“Ultrafast Microwave Activating Polarized Electron for Scalable Porous Al toward High-Energy-Density Batteries”發表在國際著名期刊Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖一、多孔鋁箔的制備示意圖及其SEM圖
（a）微波誘導制備多孔鋁箔的示意圖；

（b, f）原始Al的表面和橫截面SEM圖像；

（c, g）多孔鋁箔Al-MW10的表面和橫截面SEM圖像；

（d, h）多孔鋁箔Al-MW20的表面和橫截面SEM圖像；

（e, i）多孔鋁箔Al-MW30的表面和橫截面SEM圖像。

圖二、濃度和不同前體對鋁箔表面的影響
（a-d）由不同濃度的Fe(NO₃)₃制備的Al箔的SEM圖：25 mM、2.5 mM、12.5 mM、125 mM；

（e-h）pH=1.29的不同前體溶液制備的Al箔的SEM圖像：Co(NO₃)₂、Ni(NO₃)₂、HNO₃、FeCl₃。

圖三、微波照射對多種鋁基表面的影響
（a, c, e, g, i）原始合金Al/Mn、Al/Mg、Al/Si、Al/C和Al/PP的SEM圖像；

（b, d, f, h, j）在25 mM Fe(NO₃)₃下微波處理后的合金Al/Mn、Al/Mg、Al/Si、Al/C和Al/PP的SEM圖像 。

圖四、不同微波照射時間對鋁箔性質的影響
（a-b）厚度、質量與微波時間的關系，線性擬合用于估計不同微波時間后鋁箔的厚度和質量；

（c-d）應力和電阻率隨微波時間的變化；

（e-f）H₂O和NMP在Al、Al-MW10、Al-MW20和Al-MW30表面的潤濕性；

（g）Al、Al-MW10、Al-MW20和Al-MW30的2D/3D AFM圖像。

圖五、基于不同鋁箔的LiFePO₄正極的性能
（a）以多孔Al、原始Al和商用Al/C箔為集流體的LiFePO₄正極在1 C下的循環性能；

（b）LiFePO₄正極的典型C-V曲線，其中掃描速率為0.2 mV s^-1；

（c）在1 C下，基于不同Al箔的LiFePO₄正極的放電能量密度；

（d）基于不同Al箔的LiFePO₄正極的奈奎斯特圖。

【小結】

本文提出了一種高效、省時的微波輔助制備多孔鋁箔的策略。金屬Al表面的大量自由電子可以被電磁能極化，而Fe(NO₃)₃在快速加熱的固液界面上誘導有效蝕刻，從而在多種Al箔表面實現多孔網絡結構的構建。得益于集流體的減薄減重和界面電接觸優化，負載在多孔Al箔上的LiFePO₄正極的循環穩定性和能量密度得到有效提高。這種可擴展的策略不僅為開發下一代能源相關器件提供了新的可能性，還拓展了表面化學在多種應用場景中的巨大潛力。

文獻鏈接：Ultrafast Microwave Activating Polarized Electron for Scalable Porous Al toward High-Energy-Density Batteries （Nano Letters, 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03762）

本文由CQR編譯。

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