Adv. Mater. 中科院深圳先進院：用于高倍率長循環穩定性的高能量密度雙離子電池負極的碳包覆多孔鋁箔

【引語】

近年來，科研人員將大量的精力投入到開發新一代具有更高的能量密度和功率密度、高安全性、低成本和更長的壽命的鋰離子電池（LIBs）中去，以滿足人們對便攜式電子產品和電動汽車日益增長的需求。當然，除了研究LIBs，研究人員也一直在開發其他的電池結構，如鈉離子、鋰硫、鋰空氣電池。雙離子電池（DIBs）是一種近年來發展起來的電池類型，它更加安全，能在更寬的電壓窗口中工作，而且相比傳統的LIBs來說成本更低。通常情況下，石墨能作為DIBs的正極和負極，是因為其本征的氧化還原兩性，它允許電解質中的陽離子和陰離子嵌入和脫出于石墨層。陰離子嵌入過程通常發生在非常高的電位（4.5 V以上vs Li/Li+），而陽離子嵌入發生在非常低的電位（低于1 V vs Li/Li⁺），因此DIBs的工作電壓高于常規的LIBs。然而，由于有機電解液在高電壓下的電化學穩定性低，DIBs的循環穩定性仍不盡人意。利用寬電化學窗口的離子液體（IL）電解質是提高循環穩定性的一種有效途徑，但ILs的高成本卻阻礙了DIBs的工業化。

近日，中國科學院深圳先進技術研究院的唐永炳教授課題組在Advanced Materials上發文，題為“Carbon-Coated Porous Aluminum Foil Anode for High-Rate, Long-Term Cycling Stability, and High Energy Density Dual-Ion Batteries”。 本文提出了用于高倍率，長循環穩定性，高能量密度的雙離子電池負極的碳包覆多孔鋁箔。

【主要內容】

該研究小組提出一種碳包覆三維多孔鋁箔（pAl / C）作為DIBs的負極和集流體，使用的天然石墨作為正極材料以及優化后的碳酸鹽作為電解質。3D多孔結構的pAl減輕了在電化學循環過程中的鋁體積變化所引起的機械應力，也縮短了離子擴散長度。同時，碳包覆層有助于緩沖鋁的體積變化，并緩解不良的表面反應。因此，歸功于多孔導電結構與pAl/C負極中碳層的協同作用，該DIB表現出良好的循環穩定性，在2 C 倍率下，循環1000圈的可逆容量為93 mAh g^?1（1C容量為100 mAh g^?1）以及容量保持率達89.4%。該電池在3084 W kg^?1的高功率密度下的能量密度約為204 Wh kg^?1（15 C，4分鐘內完成充電和放電），這一數值是現商業化的鋰離子電池（在1000 W kg^?1下約為100 Wh kg^?1）的兩倍，并且是已報道的DIB中性能最佳的。

【圖文導讀】

圖一： pAl/C負極材料的制備流程示意圖

圖二：材料的形貌表征

（a，b）不同放大倍數下的pAl基材的橫截面掃描電鏡圖像。插圖（a）是pAl樣品的光學照片。

（c，d）在不同放大倍數的pAl/C-2基材的SEM圖像。插圖（c）是pAl/C-2樣品的光學照片。

（e，f）pAl 的EDX譜（e）和pAl/C-2（f）樣本。

（g）pAl和pAl/C-2基材的拉曼光譜。

（h）pAl 和pAl/C-2材料在空氣中的熱重曲線。

圖三：電化學性能測試

（a）pAl/C-G DIB在2 C倍率下的恒流充放電曲線。

（b）電池相應的dQ/dV微分曲線。

（c）pAl/C-G DIB在2C到20 C的不同倍率下的充放電曲線（在每個倍率下循環第六周期）

（d）DIB在不同倍率下相應的容量和庫侖效率。

（e）pAl/C-G DIB在2 C倍率下循環1000圈的長期循環性能，以pAl和未經處理的鋁箔作為對照。

圖四：SEM圖像和原位XRD譜

pAl/C-2負極的SEM圖像（a）循環1000個周期前和（b，c）后。插圖是相應的光學圖像。未經處理的鋁和（e）pAl箔在循環500個周期后的掃描電鏡圖像。（f）pAl/C-2負極循環1000次后的原位XRD譜。

【總結】

研究人員通過蝕刻、沉積和PAN凝固，以及隨后的碳化的過程成功地制備了一個均勻的碳包覆多孔鋁箔。利用pAl/C復合材料直接作為負極和集流體，利用天然石墨作為正極材料，成功地構建了一種新型的pAl/C-G DIB，該雙離子電池具有良好的倍率性能和高可逆容量，以及長循環穩定性。pAl/C-G DIB的優越的電化學性能主要歸因于pAl/C箔具有優化的結構和包覆層。3D的多孔鋁結構提供了快速的離子/電子傳輸通道和足夠的空間以容納在Al-Li合金化過程中的體積膨脹。外碳層也有助于緩沖體積變化的影響和形成穩定的SEI膜。此外，pAl/C-G DIB在高功率密度下顯示出超高的能量密度，遠高于大多數LIBs和DIBs。這項工作為合成高性能DIBs鋁基負極提供了一條有效途徑。

文獻鏈接：Carbon-Coated Porous Aluminum Foil Anode for High-Rate, Long-Term Cycling Stability, and High Energy Density Dual-Ion Batteries（Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201603735）

本文由材料人編輯部新能源學術組背逆時光供稿，點這里加入材料人的大家庭。

參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”，若想參與新能源文獻解讀和文獻匯總、新能源知識科普和深度挖掘新能源學術產業信息，請加qq 2728811768。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。