高能量密度和快速充電的可充電電池被認(rèn)為是最有前途的儲能技術(shù)，可與間歇性和波動性可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用相匹配。可充電電池對可再生能源波動性電力的適應(yīng)性至關(guān)重要。用于鋰離子電池的鋰和鈷資源稀缺，無法滿足未來可再生能源的指數(shù)級增長。最近，石墨電池因其良好的循環(huán)穩(wěn)定性和高放電電壓而受到廣泛關(guān)注。然而，實現(xiàn)高能量密度和對波動電能的適應(yīng)性仍是主要挑戰(zhàn)，這主要取決于由活性材料和集流器組成的負(fù)極和正極。鋁電池因其低成本、高容量和安全性，在可再生能源儲存方面具有巨大潛力。高能量密度和對波動電能的適應(yīng)性是其面臨的主要挑戰(zhàn)。

來自北京科技大學(xué)的學(xué)者基于新型分層多孔無枝晶碳?xì)饽z薄膜（CAF）負(fù)極和集成石墨復(fù)合碳?xì)饽z薄膜（GCAF）正極，構(gòu)建了一種可快速存儲波動能量的輕質(zhì)鋁電池。CAF負(fù)極上的含O官能團(tuán)證實了一種新的誘導(dǎo)機制，可實現(xiàn)均勻的鋁沉積。與傳統(tǒng)的涂層正極相比，GCAF正極具有更高的質(zhì)量利用率，這是因為石墨材料的負(fù)載質(zhì)量極高（9.5-10.0 mg cm-2）。同時，GCAF正極的體積膨脹幾乎可以忽略不計，因此具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性。由于采用了分層多孔結(jié)構(gòu)，輕質(zhì)GCAF全電池能夠很好地適應(yīng)大電流密度和波動電流密度。經(jīng)過2000次循環(huán)后，電池的放電容量很大（115.6 mAh g-1），而且在高電流密度下充電時間很短（7.0分鐘）。基于碳?xì)饽z電極的輕質(zhì)鋁電池的構(gòu)造策略可促進(jìn)高能量密度鋁電池的突破，以適應(yīng)波動性可再生能源的快速存儲。相關(guān)文章以“A Carbon Aerogel Lightweight Al Battery for Fast Storage of Fluctuating Energy”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Materials。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202303943

圖1.輕質(zhì)碳?xì)饽z薄膜（CAF）和石墨復(fù)合碳?xì)饽z薄膜（GCAF）電極的構(gòu)建策略和表征。a)自支撐三維分層多孔CAF和GCAF的合成方案。b,c)纖維素納米纖維氣凝膠（CNFA）和碳?xì)饽z（CA，插圖）（b）以及石墨復(fù)合纖維素納米纖維氣凝膠（GCNFA）和石墨復(fù)合碳?xì)饽z（GCA，插圖）（c）的照片。d-f)碳?xì)饽z（CA）（d）、CAF（e）和GCAF（f）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。i,j)CA、CAF、碳布(CC)、碳紙(CP)、鋁和銅負(fù)極（i）以及GCA、GCAF、石墨 Mo(GMo)、石墨 碳布(GCC)和石墨紙(GP)正極（j）的質(zhì)量密度。[k)CAF和GCAF的X射線衍射（XRD）圖和l)拉曼光譜。m)CNF粉末、CAF和GCAF的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜。n)2.0秒測量后各種負(fù)極材料（CAF、CA、CP和Al）與AlCl3:[EMIM]Cl離子液體電解質(zhì)的潤濕性。

圖2.超長循環(huán)和無枝晶碳?xì)饽z薄膜(CAF)負(fù)極的電化學(xué)性能。a)循環(huán)性能，b)庫侖效率，c)Al‖CAF、Al‖CP和Al‖Al對稱電池在0.5 mA cm?2下的電壓分布（容量為0.25 mAh cm?2）。d,e)Al‖CAF(d)和Al‖CA(e)對稱電池在0.5、1.0和2.0 mA cm?2下的循環(huán)性能和庫侖效率。f)CAF負(fù)極與先前報道的多孔鋁(PAl)、Cu-Al和氮摻雜碳棒陣列(NCRA)的性能比較。g)碳?xì)饽z(CA)上鋁沉積的電壓曲線和1.0 mA cm?2下的CAF性能。

圖3.含O官能團(tuán)通過吸附AlCl3-xx+離子在碳?xì)饽z薄膜（CAF）負(fù)極上誘導(dǎo)鋁沉積的新機制。b)原始CAF、浸入電解液中的活化CAF電極和在1 mA cm-2下有鋁沉積的CAF電極（容量為4 mAh cm-2）的O 1s和c)Al 2p X射線光電子能譜(XPS)光譜。d)基于飛行時間二次離子質(zhì)譜（TOF-SIMS）測量的浸入電解液中的CAF電極上AlCl3-xx+離子的深度剖面圖和e)三維濺射體積圖像。f)基于密度泛函理論（DFT）計算的各種含氧官能團(tuán)對AlCl3-xx+離子的吸附能。g)含氧官能團(tuán)的CAF負(fù)極上鋁沉積機理示意圖。

圖4.a)GCAF正極在不同電流密度（500、600、700、800、900和1000 mA g-1）下的充放電性能。b,c)GCAF（b）和石墨復(fù)合碳?xì)饽z（GCA）（c）正極在500 mA g-1下的循環(huán)性能和庫侖效率。d,e)GCAF（d）和石墨紙（GP）（e）正極在500 mA g-1充電/放電過程中的原位光學(xué)照片。f)原始和完全充電/放電的GCAF正極在100個循環(huán)后的C 1s、g)Al 2p和h)Cl 2p X射線光電子能譜（XPS）光譜。

圖5.a)CAF‖GCAF電池在波動電流密度下的性能。b)CAF‖GCAF電池在1000 mA g-1大電流密度下的循環(huán)性能和庫侖效率。c-e)包括活性材料、集流體、導(dǎo)電劑和粘合劑在內(nèi)的整個正極的質(zhì)量比容量（c）、面積比容量（d）和充電時間（e）的比較。f)CAF‖GCAF全電池與之前報道的雙石墨鋁電池的性能比較。放電容量和能量密度是根據(jù)整個鋁電池的正極和負(fù)極計算得出的。本研究（c-f）的結(jié)果是根據(jù)（b）的數(shù)據(jù)計算得出的。

本研究設(shè)計了一種新型自支撐分層多孔CAF負(fù)極和GCAF正極，以構(gòu)建輕質(zhì)鋁電池。基于CAF上的含O功能基團(tuán)與AlCl3-xx+離子之間的有效吸附作用，提出并證實了一種新的無枝晶鋁沉積誘導(dǎo)機制，從而形成了豐富而均勻的鋁沉積活性位點。值得注意的是，高負(fù)載質(zhì)量（≈10.0 mg cm-2）的集成GCAF正極在900次循環(huán)后顯示出較大的比容量（111.4 mAh g-1），并在較大電流密度下顯示出極高的等容量（1.1 mAh cm-2）。特別是，與GP正極50倍的大體積膨脹相比，GCAF正極幾乎沒有體積膨脹。成本低、重量輕的CAF||GCAF全電池對500-1000 mA g-1范圍內(nèi)的波動電流具有良好的適應(yīng)性，并具有7.0分鐘的快速充電能力。在1000 mA g-1的高電流密度下，經(jīng)過2000次循環(huán)后，放電容量保持在115.6 mA g-1。這項研究有望推動高能量密度鋁電池的發(fā)展，從而快速儲存波動的可再生能源。