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多倫多大學(xué)Joule: 非水系可充電鋁電池研究現(xiàn)狀及未來展望

可充電鋁電池（RAB）技術(shù)由于鋁的高天然豐度、低材料成本、高理論容量和易于處理，已成為中型和大規(guī)模固定式儲(chǔ)能應(yīng)用潛力巨大的候選技術(shù)。隨著具有不同電荷存儲(chǔ)機(jī)制的新型電極材料取得進(jìn)展，有必要構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的分類和評(píng)估框架，以便能夠?qū)Σ煌琑AB化學(xué)物質(zhì)的電池性能指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋容^。

在此，加拿大多倫多大學(xué)Gisele Azimi, Kok Long Ng等人總結(jié)了非水系RAB的研究進(jìn)展，旨在建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)估框架，該框架能夠?qū)Ω鞣NRAB化學(xué)物質(zhì)的電池性能指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u(píng)估。首先，確定并概括了每種正極類型所涉及的電荷存儲(chǔ)機(jī)制，這可以在各種RAB系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的容量、能量和功率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化比較。

然后，討論在各種RAB系統(tǒng)中觀察到的差異，作者強(qiáng)調(diào)了準(zhǔn)確闡明所涉及的潛在電荷存儲(chǔ)機(jī)制的重要性。此外，討論了各種插層正極中的離子遷移動(dòng)力學(xué)及增強(qiáng)離子插層和遷移動(dòng)力學(xué)的有效策略，從而提高電池性能。最后，作者提供了對(duì)有效策略的看法，這些策略對(duì)于闡明現(xiàn)有電極材料中的電荷存儲(chǔ)機(jī)制至關(guān)重要。

圖1. 各種RAB化學(xué)物質(zhì)在活性材料水平上的電池性能指標(biāo)

作者對(duì)未來RAB體系的研究提出了以下展望：

（1）應(yīng)努力了解電池的化學(xué)成分，因?yàn)閷?duì)電荷存儲(chǔ)機(jī)制的不精確/不準(zhǔn)確評(píng)估會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果，從而導(dǎo)致對(duì)實(shí)際電池性能的高估/低估。此外，應(yīng)特別注意電池性能指標(biāo)的報(bào)告和解釋，特別是在不同的電池化學(xué)和水平之間。

（2）為了闡明所涉及的反應(yīng)，需要結(jié)合理論計(jì)算進(jìn)行綜合表征。此外，許多正極材料中較差的Al³⁺遷移率是另一個(gè)需要研究的挑戰(zhàn)。

（3）RAB 過去7年的研究缺乏連貫的目標(biāo)，對(duì)所采取的研究方向具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性。然而，現(xiàn)有RAB化學(xué)性質(zhì)固有的復(fù)雜性要求采用與之前的單價(jià)/多價(jià)堿金屬電池截然不同的電極設(shè)計(jì)/工程方法，從而實(shí)現(xiàn)高性能RAB。

圖2. 闡明現(xiàn)有RAB系統(tǒng)中復(fù)雜電荷存儲(chǔ)機(jī)制的研究策略

Nonaqueous rechargeable aluminum batteries, Joule 2022. DOI: 10.1016/j.joule.2021.12.003

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