铝离子电池正极材料的研究进展

背景介绍随着经济和社会的快速发展，能源在人类生活中发挥着越来越重要的作用。然而，传统的化石能源正在枯竭，并且随着其广泛使用，对环境造成了严重的影响。因此，开发高性能且可循环充放电的储能电池系统，对于最大化利用上述清洁可再生能源具有重要意义。Al价格低廉且储量在地壳中储量较为丰富，体积比容量最高，电化学当量和质量比容量仅分别略高于和低于Li，因此铝离子电池具有非常广阔的发展前景。然而，铝离子电池正极材料尚存在着一些问题：循环稳定性强但放电比容量低或放电比容量高但容量衰减严重。此外，充放电反应机理上也存在分歧，这些问题的存在限制了高能量密度铝离子电池的进一步发展。

文章亮点总结了铝离子电池的国内外研究现状分析和发展趋势;对锂离子电池目前存在的相关问题进行了分析与展望。内容介绍1国内外研究现状分析和发展趋势1.1

铝电池的发展历史和现状铝在充放电过程中能提供3个电子，具有高电荷存储能力，铝离子电池具有更高的理论能量密度（8046mAh/cm3），约为锂离子电池的4倍。目前，铝离子电池的电解液有水系和有机系这两大类。水系电解液具有价格便宜，生产工艺简单和使用方便等优势。1.2

碳化物作为正极材料的研究2015年，开发了Al-PG/泡沫石墨电池。如图1a~1c，发现电池正极材料能够实现快速的阴离子（AlCl4-）脱嵌。在电流密度为4,000mA/g下，充电时间约1min，并能承受超过7500

次循环而不发生容量衰减。图1

a.石墨泡沫的扫描电子显微镜图；

b.铝/石墨泡沫电池在电流密度为4000mA/g时的恒流充放电图；c.铝/石墨泡沫电池在4000mA/g电流密度下进行7500次长循环性能图；d.在电流密度为100mA/g时，GF-HC正极材料的25000次长循环性能图[Fig.1

a.SEMimageofgraphitefoam;

b.Galvanostaticcharge-dischargeimageofaluminum/graphitefoambatteryatacurrentdensityof4000mA/g.c.7500long-cyclesperformanceofaluminum/graphitefoambatteryat4000mA/gcurrentdensity[11].d.25000Long-cyclesperformanceofGF-HCcathodeatacurrentdensityof100mA/g1.3

金属硫化物正极材料的研究

金属硫化物作为正极材料在多价离子电池体系中有很大的应用潜力。还比较了SnS2和G-SnS2（G指氧化石墨烯）正极材料的电化学性能，其电化学性能如图2a~2b所示，通过对比可知，相比于SnS2电极容量地急剧衰减，G-SnS2电极有更好的容量保持率。这可能是由于SnS2中加入的石墨烯，形成了分层结构。该结构加速了离子在其中的脱嵌，有利于电极结构的稳定，有效地地抑制了SnS2电极容量的衰减。如图2c~2d所示，从两者的交流阻抗和倍率性能图中可以发现，SnS2电极的界面阻抗远大于G-SnS2电极的界面阻抗，SnS2电极的倍率性能不如G-SnS2电极，这可能由于氧化石墨烯加入，增强了SnS2电极的导电性，促进电子在电极中的传输。图2

a.在电流为100mA/g时，G-SnS2和SnS2正极的铝离子电池的第一和第5圈充放电曲线；b.扫描速率为0.5mV/s的G-SnS2和SnS2电极的循环伏安图；c.G-SnS2和SnS2电极的电化学阻抗谱图；d.在不同的充放电电流密度下电极的放电比容量Fig.2

a.Firstandfifthcyclecharge-dischargecurvesofAl-ionbatterieswithG-SnS2

andSnS2

cathodesatacurrentof100mA/g;b.CVplotsofG-SnS2

andSnS2electrodesatascanrateof0.5mV/s;c.EISplotsofG-SnS2

andSnS2

electrodes;d.Dischargespeccaiificcapacitiesofelectrodesatdifferentcharge-dischargecurrentdensities1.4

氧化物作为正极材料的研究2011年，报道了将Al3+可逆插入到V2O5纳米线正极中，并将这种电池系统称为可充电铝离子电池（RAIB）。如图4a、4b，电池的工作电压较低，放电平台在0.55V以下，循环寿命较短（仅20个循环）。Li等[31]报道了无粘结剂氧化物正极材料的优势，该正极通过直接将V2O5沉积在泡沫镍集流体上合成，得到Ni-V2O5正极。如图4c、4d所示。图4

a.

Al/离子液体/V2O5电池的充放电图;b.长循环性能图[29]；c.V2O5纳米线与PTFE粘结剂的恒流放电图;d.Ni-V2O5（无粘结剂）作正极材料的电池恒流放电图[Fig.4

a.Charge-dischargecurvesofAl/ionicliquid/V2O5battery;b.Long-cycleperformancediagramc.ConstantcurrentdischargediagramoftheV2O5

nanowireswithPTFEbinder;d.Ni-V2O5(non-binder)asthepositiveelectrodemateria1.5

铝离子电池充放电反应机理目前，铝离子电池充放电反应机理主要分为AlCl4-阴离子脱嵌和Al3+阳离子脱嵌。2结论与展望

2.1

碳类材料拥有极好的循环稳定性和倍率性能以及相对较高的功率密度。但是碳类材料的能量密度偏低，主要归根于在其内部嵌入的是单价[AlxCly]-而不是三价Al3+离子，导致1个离子的移动只能传递单个电子，而没有发挥出Al3+离子3个电子的优势。若实现三价Al3+在碳类材料中脱嵌，则能大大提高其能量密度。2.2

构建以纳米薄片为结构单元的三维多级微纳复合结构正极材料。利用纳米碳材料的良好导电性能对金属硫化物膨胀和重新团聚的延缓作用，可大幅改善过渡金属硫化物的铝离子电池正极循环性能。2.3

对氧化物（如氧化钒）进行晶体结构调控