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焦樹強(qiáng)/王明涌AM：用于快速存儲(chǔ)波動(dòng)能量的碳?xì)饽z輕質(zhì)鋁電池

鋁電池具有成本低、容量大、安全等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的可再生能源存儲(chǔ)潛力。高能量密度和對(duì)波動(dòng)電力的適應(yīng)性是主要的挑戰(zhàn)。

在此，北京科技大學(xué)焦樹強(qiáng)&王明涌團(tuán)隊(duì)基于新型分層多孔無枝晶碳?xì)饽z膜（CAF）負(fù)極和集成石墨復(fù)合碳?xì)饽z膜（GCAF）正極構(gòu)建了一種用于快速存儲(chǔ)波動(dòng)能量的輕質(zhì)鋁電池，證實(shí)了CAF負(fù)極上含O官能團(tuán)的新誘導(dǎo)機(jī)制可實(shí)現(xiàn)均勻的Al沉積。與傳統(tǒng)涂層正極相比，GCAF正極由于石墨材料的負(fù)載質(zhì)量極高（9.5–10.0 mg cm^-2）而具有更高的質(zhì)量利用率。

同時(shí)，GCAF正極的體積膨脹較小，從而具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性。輕質(zhì)的CAF‖GCAF全電池由于其分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，可以很好地適應(yīng)大且波動(dòng)的電流密度。同時(shí)獲得了2000次循環(huán)后的高放電容量（115.6 mAh g^-1）和高電流密度下的短充電時(shí)間（7.0 min）。

圖1. 通過吸附AlCl_3-x^x+離子，含氧官能團(tuán)在CAF負(fù)極上誘導(dǎo)鋁沉積的新機(jī)制

具體而言，該工作設(shè)計(jì)了一種新型自支撐分層多孔CAF作為負(fù)極和GCAF作為正極來構(gòu)建輕質(zhì)鋁電池。CAF作為主體負(fù)極，在2500小時(shí)內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的沉積/剝離行為?；贑AF上的含O官能團(tuán)和AlCl_3-x^x+離子之間的有效吸附，提出并證實(shí)了一種無枝晶Al沉積的新誘導(dǎo)機(jī)制，從而產(chǎn)生了豐富且均勻的Al沉積活性位點(diǎn)。此外，具有高載量（約10.0 mg cm^-2）的集成GCAF正極在900次循環(huán)后表現(xiàn)出較大的比容量（111.4 mAh g^-1），并且在大循環(huán)次數(shù)下表現(xiàn)出極高的面容量（1.1 mAh cm^-2）。

特別是，與GP正極50倍的大體積膨脹相比，GCAF正極幾乎不發(fā)生體積膨脹。低成本、輕量化的CAF‖GCAF全電池對(duì)500~1000 mA g^-1范圍內(nèi)的波動(dòng)電流具有良好的適應(yīng)性，并具有7.0 min的快速充電能力。在1000 mA g^-1的高電流密度下循環(huán)2000次后，放電容量保持在115.6 mA g^-1。因此，該工作促進(jìn)了快速存儲(chǔ)波動(dòng)的高能量密度鋁電池的發(fā)展。

圖2. 高容量、波動(dòng)、大電流密度快速充電CAF‖GCAF全電池

Carbon Aerogel Lightweight Al Battery for Fast Storage of Fluctuating Energy, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202303943

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