Nature子刊：天然石墨助力高性能鋁離子電池

【引言】

由于移動設備需求的激增，電池的電能存儲得到了研究人員的緊密關注。在各類不同種類的電池之間，因其質量比容量高，鋁離子電池格外引人注目。在最近的電池研究領域中，科研人員對于具有鋁陽極、石墨陰極和離子液體電解質的鋁離子電池的研究興趣日益增加。然而，在提高陰極電容和探索陰離子嵌入石墨機制等方面仍還有許多工作未完成。

【成果簡介】

近日，國立臺灣科技大學黃炳照教授，國立臺灣師范大學陳家俊教授和斯坦福大學戴宏杰教授(共同通訊作者）在Nature Communications上發表了一篇題為“Advanced rechargeable aluminium ion battery with a high-quality natural graphite cathode”的文章。文中報道了一種利用天然石墨薄片作為陰極電極的鋁離子電池，該電池電容到達約110 mAhg^-1，庫倫效率約為98%。在6 C倍率下，電池電容為60 mAhg^-1，超過6000次充放電循環后庫倫效率約為99%。另外，通過理論計算模擬研究了氯鋁酸鹽離子嵌入石墨層的行為機制。

【圖文導讀】

圖1.獨立天然石墨薄膜在鋁離子電池中的應用

(a)獨立天然石墨薄膜的制備過程(步驟A-D)和薄膜鍵合到導電碳帶集電器過程(步驟E)示意圖

(b)GFF電極頂部SEM圖，比例尺10 μm，石墨膜厚約50 μm

(c)GFF電極橫截面SEM圖，比例尺100 μm，石墨膜厚約50 μm

圖2.鋁離子電池性能

(a)Al/NG電池恒電流充放電曲線，電流密度為66 mA/g

(b)不同電流密度下Al/NG電池的電容保持

(c-d)電流密度分別為660 mA/g和198 mA/g時Al/NG電池的長期穩定性測試

圖3.天然石墨的結構和光譜演變

(a)NG在第二個循環充放電狀態中的非原位XRD譜圖，充電態標記為C，放電態標記為D

(b)NG陰極經過充放電循環后的原位拉曼譜

(c)充電電壓分別為1.99 V，2.37 V，2.42 V，2.45 V以及放電電壓分別為2.3 V，2.24 V，1.8 V，0.5 V時NG的拉曼譜

(d)200次充放電循環后NG電極的拉曼譜

圖4.石墨非原位X射線光電發射譜

第二次循環后，在不同充電狀態(標記為C)和放電狀態(D)下測量Al/NG電池石墨陰極的非原位X射線光電發射譜

圖5.石墨X射線吸收譜

(a)不同充放電態下天然石墨的熒光譜

(b)不同充放電態下天然石墨的總電子產額譜

圖6.氯鋁酸鹽陰離子插入石墨層模型

由密度泛函原理和第一性原理計算得到AlCl₄^-陰離子插入石墨層邊緣位置，綠色和紅色球分別代表Cl和Al原子，碳原子是灰色原子

【小結】

本文報道了一種使用天然石墨薄片作為陰極電極的鋁離子電池，該電池性能表現優異。同時，借由理論計算的手段，給出了一種氯鋁酸鹽離子嵌入石墨層可能的機理。

文獻鏈接:Advanced rechargeable aluminium ion battery with a high-quality natural graphite cathode(Nature Communications, 2017, DOI: 10.1038/ncomms14283)

本文由材料人新能源組 Jon 供稿，材料牛編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部，參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”

材料測試，數據分析，上測試谷！