中国科学家的锂电池变革：铝可充电电池循环寿命高达10000

shuszhao · 发表于 2021-4-21 20:57:54

近日，由康奈尔大学院长兼工程学教授林登·阿彻（Lynden Archer）领导的一组研究人员，宣布已经找到了一种更具成本效益的新型材料——铝或锌作为负极的电化学电池，且已经证明，结合铝的新技术可产生可提供多达10,000次无错误循环的可充电电池。
于4月6日在 Nature Energy 发表了题为《利用界面金属基板结合调节高容量铝和锌电池阳极的电沉积形态》“Regulating electrodeposition morphology in high-capacity aluminium and zinc battery anodes using interfacial metal–substrate bonding” 的论文。

值得一提的是，该论文的第一作者是一位中国科学家——麻省理工学院（MIT）物理系博士后郑景旭。本科毕业于上海交通大学的他，曾在大三的时候，就因已收获了17篇SCI论文（其中12篇一作）而备受关注，2019年康奈尔大学博士在读时以第一作者身份在《Science》上发表论文。

解决了高容量铝合金电池枝晶生长问题

此前高容量铝合金电池中存在严重的枝晶生长问题，这会导致电池短路、容量衰减等问题。
郑景旭和合作者，通过设计基底的几何结构和表面化学，以及诱导铝金属负极均匀沉积，可让铝合金电池在高电流、高容量的循环条件下，避免枝晶生长。

铝阳极在传统基质上表现出异质生长的倾向

与此同时，在碳纤维基底表面上，金属铝会形成“铝–氧–碳”键，借此形成高度均匀的沉积层，最终可让金属阳极具备 99% 以上的高度可逆性、和长达 3600h 的循环稳定性。
这种金属与图案化基底相结合的方法，还可拓展到金属锌阳极，并让其也实现高可逆性。

铝具有更高的能量存储能力

铝的优点之一是它在地壳中含量丰富，三价且轻质，因此比许多其他金属具有更高的能量存储能力。
但是，铝很难集成到电池的电极中。因为它与玻璃纤维隔板发生化学反应，如果使用玻璃纤维隔板将阳极和阴极物理分隔开，由于化学反应从而导致电池短路并发生故障。
研究人员的解决方案是设计一种交织碳纤维基材，该基材与铝形成更牢固的化学键。当电池充电时，铝通过共价键合沉积到碳结构中，即铝和碳原子之间的电子对共享。
尽管传统可充电电池中的电极只有二维，但此技术使用的是三维（或非平面）结构，可以形成更深、更一致的铝层，并且可以对其进行精细控制。
在实际条件下，铝阳极电池可逆充电和放电的次数比其他铝可充电电池多一个或多个数量级。
概括来说，该方法主要利用化学驱动力，来促使铝元素均匀沉积到 3D 结构的空隙中。并且，这种新型电极具备更高的厚度，相比其他电极反应速度也快得多。
把新电极搭载到电池上，他开发出一款循环寿命高达 10000 次、且没有任何失效迹象的新型可充电装置。