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?焦樹強(qiáng)AM: 電極與集流體間的“死區(qū)”實現(xiàn)5萬次循環(huán)的鋁離子電池！

通常，活性離子插層后電極會發(fā)生體積膨脹，這會顯著降低電極和集流體之間的粘附力。尤其是在鋁離子電池（AIBs）中，大尺寸AlCl₄^–的插層會大大削弱這種粘附力并導(dǎo)致電極與集流體分離，這似乎是一個固有且不可調(diào)和的問題。

為此，北京科技大學(xué)焦樹強(qiáng)教授等人，以克服上述挑戰(zhàn)。在這個概念中，作者將負(fù)電荷結(jié)合到集流體的表面以產(chǎn)生與AlCl₄^–運動方向相同的電場并迫使AlCl₄^–遠(yuǎn)離集流體方向，從而阻止AlCl₄^–完全到達(dá)集流體表面。最終，在電極和集流體之間的界面處形成了一個微小的“死區(qū)”，在這個小區(qū)域內(nèi)屏蔽了正極材料并使其不受AlCl₄^–插層和去除反應(yīng)的影響。

這樣既保證了電極的結(jié)構(gòu)完整性，又穩(wěn)定了電極與集流體的界面，從而有效地解決了電極與集流體的分層問題。在這項工作中，作者選擇了MXene （Ti₃C₂T_x）薄膜作為首選材料，以證明“死區(qū)”概念并實現(xiàn)穩(wěn)定、輕質(zhì)、耐用和低成本的AIBs集流體。

圖1. Ti₃C₂T_x薄膜的合成及結(jié)構(gòu)表征

研究證實，大量的OH和COOH基團(tuán)結(jié)合到MXene薄膜的表面上并在其表面形成豐富的負(fù)電荷區(qū)域，從而屏蔽了正極材料在其“死區(qū)”中的AlCl₄^–插層。同時，其粗糙和不平整的表面確保了電極和集流體之間的緊密接觸。此外，Ti₃C₂T_x薄膜具有比其他金屬箔或碳質(zhì)材料更高的氧化電位。當(dāng)使用Ti₃C₂T_x薄膜作為集流體時，AIB在100 mA g^-1的電流密度下經(jīng)過100次循環(huán)后的比放電容量保持在約120 mAh g^-1。

甚至，在10 A g^-1的電流密度下，AIB成功實現(xiàn)了高達(dá)50000次的循環(huán)壽命，這是AIBs非自支撐正極中循環(huán)時間最長的。此外，Ti₃C₂T_x薄膜還表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械柔韌性，在可穿戴設(shè)備應(yīng)用中顯示出巨大的前景?？傊?，該研究為實現(xiàn)AIBs的商業(yè)化提供了一條途徑，提出的概念還可幫助指導(dǎo)對搖椅電池中集流體的探索。

圖2. 基于Ti₃C₂T_x薄膜集流體的AIB電化學(xué)性能

The Negative-Charge Triggered“Dead Zone”Between Electrode and Current Collector Realizes Ultralong Cycle Life of Aluminum-Ion Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202205489

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