鮑立飄&盧興Adv. Mater.：超高容量鋁離子電池

一、【導讀】

由于鋁金屬具有高安全性、高豐度、低成本和超高理論容量（2980 mAh g^-1）的優點，可充電鋁離子電池（RABs）已成為鋰離子電池的一種極具前景的替代品。迄今為止，已報道的室溫非水系鋁離子電池的最高放電比容量約為315 mAh g^-1，考慮到金屬鋁的超高理論容量，這結果仍然不盡如人意。在此情況下，開發新型電極材料，以提供更有效的能量存儲機制是當前的關鍵問題和挑戰。

?二、【成果掠影】

近日，華中科技大學鮑立飄教授、盧興教授等人研報告了一種利用零維富勒烯C₇₀作為正極在RABs中儲存能量的新型絡合機制。該機制使得RABs表現出創紀錄的超高可逆比容量（在200 mA g^-1電流密度下達到750 mAh g^-1）和較高的放電電壓（約1.65 V）。通過原位拉曼、質譜和密度泛函理論（DFT）計算，發現這種超高的容量歸因于一個C₇₀分子與23.5個（超）鹵素基團（超鹵素AlCl₄和/或鹵素Cl）直接形成超鹵代C₇₀[AlCl₄]_mCl_n-m配合物。在放電過程中，C₇₀[AlCl₄]_mCl_n-m解絡合釋放出AlCl₄^?/Cl^?離子，同時保持完整的富勒烯籠結構。該工作提出的絡合機理為實現高容量和長壽命RABs開辟了新途徑。研究成果以題為“Ultrahigh Capacity from Complexation-Enabled Aluminum-Ion Batteries with C₇₀ as the Cathode”發表在知名期刊Adv. Mater.上。

三、【核心創新點】

利用零維富勒烯C₇₀作為正極開發了新型的非水系RABs，該RABs具有創紀錄的比容量，隨后通過原位拉曼、質譜和DFT對其進行了機制研究，提出的絡合機理為實現高容量和長壽命RABs開辟了新途徑。

?四、【數據概覽】

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圖1? 代表性的室溫RABs放電容量對比 ? 2023 Wiely

圖2? Al-C₇₀電池的電化學性能 ? 2023 Wiely

（a）C₇₀正極在1 mV s^-1掃描下的循環伏安（CV）曲線。

（b）C₇₀正極在200 mA g^-1下的電壓-容量曲線。

圖3? 可充電Al-C₇₀電池的機制研究 ? 2023 Wiely

（a）充放電過程中Al-C₇₀電池的示意圖。

（b）C₇₀正極的電化學氧化還原機制示意圖。

（c）C₇₀在首個循環期間的原位拉曼光譜。

圖4? C₇₀電極在不同充放電階段的表征及預測結構 ? 2023 Wiely

（a）不同充放電階段的質譜結果。

（b）C₇₀Al₅Cl₃₆、C₇₀Al₅Cl₃₆O和C₇₀Al₅Cl₃₆O₂的預測結構。

圖5? 不同充電循環次數下的充放電圖和表征 ? 2023 Wiely

（a）完全充電狀態下前30個循環中電極材料變化的示意圖。

（b-c）不同循環后（充至2.4 V）C₇₀正極的SEM圖像和XRD圖。

（d）C₇₀正極在200 mA g^-1電流密度下的循環性能。

（e）以200 mA g^-1的電流密度進行充放電測試時，C₇₀正極的在不同循環次數下的電壓-容量曲線。

五、【成果啟示】

該研究通過采用零維C₇₀作為正極材料，在提升可逆鋁離子電池性能方面取得了顯著進展。C₇₀正極展現了創紀錄的比容量（在200 mA g^-1電流密度下，放電比容量為750 mAh g^-1）和顯著的放電電壓平臺（約為1.65 V）。通過直接絡合機制的Al-C₇₀電池，可提供創紀錄的每單位活性物質質量下，1237.5 Wh Kg^-1的能量密度。通過對其進行了系統表征，發現卓越的電化學性能歸因于兩個主要因素：富勒烯的高化學活性使得每個碳籠上可以添加數十個（超級）鹵素AlCl₄/Cl，這是其超高容量的基礎；而富勒烯獨特的零維結構具有高穩定性，在充放電過程中其固有結構不會被破壞，確保了出色的循環穩定性。此外，富勒烯提供了一個類似于石墨材料共軛結構的高放壓平臺，確保高能量密度。該研究不僅為可充電鋁離子電池提供了一系列有極大潛力的富勒烯正極材料，同時也為新型電池的合理設計和靈活擴展提出了一種新的儲能機制。

原文詳情：Ultrahigh Capacity from Complexation-Enabled Aluminum-Ion Batteries with C₇₀ as the Cathode (Adv. Mater. 2023, 2306244.)

本文由賽恩斯供稿。