铝离子电池研究中取得新的突破
在目前所有金属电极材料中，金属铝具有最高的体积比容量，此外还具有质量轻、可靠性高、使用安全、价格低廉且资源丰富等优点，其典型的多电子反应特点使铝离子电池成为储能系统的理想选择。然而，由于铝离子具有三电子的高荷电量，其电极反应动力学不佳，充放电时容易破坏材料结构，发生三电子反应的过电位较高，导致循环性不佳，目前还难以兼具高能量密度和优良循环性能。这些技术难题导致铝离子电池一直没有成功应用于电化学能量储存和转换技术中。开发高性能正极材料和新型电解液是铝离子电池亟待解决的问题。
图1 证明在电化学反应的作用下尖晶石型Mn3O4转化为层状AlxMnO2·nH2O
该研究团队设计了一种原位转化电化学反应来使得尖晶石型Mn3O4转化为含水的层状、无定形混合相AlxMnO2·nH2O的目的。为了验证该方法的可行性，采用电子能量损失法（EELS）,X射线光电子分析以及透射电子显微镜-能量色散X射线光谱对反应产物的化学状态和元素种类进行了分析与表征。通过分析，电化学转化反应后Mn元素由2价/3价转化为4价。热重分析表明反应产物在50~300℃表现出更明显的质量下降趋势，表明在转化反应过程中结晶水的损失（图1）。通过以上一系列表征分析进一步证明了Mn3O4→AlxMnO2·nH2O原位转化反应的发生。
图2 对反应产物AlxMnO2·nH2O的结构表征
研究者通过X射线衍射和透射电镜更直观的观察了原位转化反应中材料结构的变化，发现原位转化反应过程中，尖晶石相的Mn3O4逐渐无定形化，仅保留了少部分的层状相。在高分辨透射电镜结果中可以看出，与反应前的尖晶石型Mn3O4相比，反应产物AlxMnO2·nH2O具有一层明显的无定形层（图2）。
图3 AlxMnO2·nH2O的混合相结构示意图
利用球差校正电镜可以观察到材料原子级别的排布，在电流和水系电解液的作用下，四面体位的Mn2+和部分八面体位Mn3+从尖晶石结构中溶出，在电流作用下被氧化形成的无定形相重新沉积在原本的纳米颗粒表面，所以在球差电镜中可以清晰地看到尖晶石、层状和无定形相混合存在的现象。表面的含水无定型层结构有利于铝离子的嵌入脱出，使得正极材料具有快速脱嵌铝离子的能力。
图4 对Al/Al(OTF)3-H2O/AlxMnO2·nH2O电池体系的电化学性能测试
以AlxMnO2·nH2O为正极，金属铝片为负极，Al(OTF)3-H2O为电解液装配水系铝离子电池，发现AlxMnO2·nH2O在1.3V和1.65V分别呈现短的充电平台和长的充电平台，对应于铝离子的脱出反应。首周放电容量高达467mAh g-1加之较高的放电平台电压（平均值达到1.1V）使得该电极材料的能量密度高达481Wh kg-1，在目前的相关研究报道中处于领先。
该工作首次将尖晶石-层状转化反应应用于水系三电子电池体系中，为铝离子电池电极材料及新型电解液的开发提供了新的路径，展现了过渡金属氧化物电极材料在构筑高能量铝离子电池体系方面的应用潜力，为实现高安全高性能的大型储能系统提供了新思路和新方法。
上述工作得到了国家973计划项目和国家自然科学基金的支持。
论文详情：https://www.nature.com/articles/s41467-018-07980-7
未来10-15年内 铝离子电池有望与锂离子电池相提并论
来自瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）物理系的Niklas Lindahl近日在接收采访时表示，“未来10-15年内，除个别领域之外，铝离子电池有望与锂离子电池相提并论，一旦工业规模建立，铝离子电池(AIBs)将表现出性能好、对环境污染低、价格低廉等特性。”
从可持续的角度来看，锂离子电池采用石墨、锂和钴等稀缺资源作为原材料。此外，由于合成过程中高温的影响，阴极产生的排放量也很高。相比之下，铝离子电池的原材料更易获取，在较低温度下即可有机合成。
它补充道，“目前尚没有生产出铝离子电池，并且也很难断定具体哪一种材料最终会被采用。但是我们的推断是建立在低成本之上的。”
目前伦敦金属交易所铝价值1.8美元/kg，而碳酸锂和氢氧化锂价格分别为9.2美元/kg、11.2美元/kg。
Niklas Lindahl团队正在努力克服相关难点以实现铝离子电池的商业化。
私人、公共和商业运输（汽车、公交车、卡车）等电动汽车对电池需求不断增加，因而人们开始研发铝离子电池以满足需求。而电动汽车需要大量的电力才能正常运行，因而对电池产生了高要求，导致电池必须能够进行快速、剧烈的电化学反应，以驱动外部电力（如电机、电子设备等）。但是此类反应反过来会对电池造成很大的机械压力和热应力。而目前的电池技术使用液体作为电解质，此类介质有助于将离子从一个电极传输至另一个电极，但是此类电解质由有机分子组成，极易燃烧和挥发。因此，导致电动汽车电池由较高的爆炸、起火、排气或故障的安全风险。
据外媒报道，美国雪城大学（Syracuse University ）的侯赛因研究小组（Hosein Research Group）研发出一种新型固体电解质，用以替代目前铝离子电池中的液体电解质，使其能够满足汽车等高需求应用。该电解质由一种非常柔软的聚合物和一种非常坚硬的环氧树脂组成，聚合物也让铝离子渗透，而环氧树脂提供了热稳定性和耐久性。该聚合物通过溶解铝盐(如硝酸铝)到聚合物基质中转化为铝离子电解质。
目前，侯赛因研究小组正积极致力于实现全固态铝离子电池的制造，该电池的包括电解质在内的所有组件都是固态，将帮助将铝离子电池纳入汽车等高需求应用中。
铝离子电池是很有前景的下一代电池技术，可以满足未来的能源输送需求，结构与锂离子相同，只是锂被铝所取代了。铝是地球地壳中第三丰富的元素，也是非常廉价的锂金属替代物。由铝制成的电池具有最高电压，可存储最多能量，并且提供最高电流，其存储容量是锂离子电池的4倍，而且携带的电荷是锂离子电池的3倍。
而锂只占地球地壳的0.7%，人们越来越担心锂离子电池能否满足全球日益增长的需求，而且其不断上升的成本以及高度稀缺性也迫使人们开始寻找和研发更可行的替代方案。铝离子电池可能就是后锂离子电池时代的下一代存储技术。
