鲍立飘&卢兴Adv. Mater.：超高容量铝离子电池

一、【导读】

由于铝金属具有高安全性、高丰度、低成本和超高理论容量（2980 mAh g^-1）的优点，可充电铝离子电池（RABs）已成为锂离子电池的一种极具前景的替代品。迄今为止，已报道的室温非水系铝离子电池的最高放电比容量约为315 mAh g^-1，考虑到金属铝的超高理论容量，这结果仍然不尽如人意。在此情况下，开发新型电极材料，以提供更有效的能量存储机制是当前的关键问题和挑战。

二、【成果掠影】

近日，华中滚球体育 大学鲍立飘教授、卢兴教授等人研报告了一种利用零维富勒烯C₇₀作为正极在RABs中储存能量的新型络合机制。该机制使得RABs表现出创纪录的超高可逆比容量（在200 mA g^-1电流密度下达到750 mAh g^-1）和较高的放电电压（约1.65 V）。通过原位拉曼、质谱和密度泛函理论（DFT）计算，发现这种超高的容量归因于一个C₇₀分子与23.5个（超）卤素基团（超卤素AlCl₄和/或卤素Cl）直接形成超卤代C₇₀[AlCl₄]_mCl_n-m配合物。在放电过程中，C₇₀[AlCl₄]_mCl_n-m解络合释放出AlCl₄⁻/Cl⁻离子，同时保持完整的富勒烯笼结构。该工作提出的络合机理为实现高容量和长寿命RABs开辟了新途径。研究成果以题为“Ultrahigh Capacity from Complexation-Enabled Aluminum-Ion Batteries with C₇₀as the Cathode”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

三、【核心创新点】

利用零维富勒烯C₇₀作为正极开发了新型的非水系RABs，该RABs具有创纪录的比容量，随后通过原位拉曼、质谱和DFT对其进行了机制研究，提出的络合机理为实现高容量和长寿命RABs开辟了新途径。

四、【数据概览】

图1代表性的室温RABs放电容量对比© 2023 Wiely

图2 Al-C₇₀电池的电化学性能© 2023 Wiely

（a）C₇₀正极在1 mV s^-1扫描下的循环伏安（CV）曲线。

（b）C₇₀正极在200 mA g^-1下的电压-容量曲线。

图3可充电Al-C₇₀电池的机制研究© 2023 Wiely

（a）充放电过程中Al-C₇₀电池的示意图。

（b）C₇₀正极的电化学氧化还原机制示意图。

（c）C₇₀在首个循环期间的原位拉曼光谱。

图4 C₇₀电极在不同充放电阶段的表征及预测结构© 2023 Wiely

（a）不同充放电阶段的质谱结果。

（b）C₇₀Al₅Cl₃₆、C₇₀Al₅Cl₃₆O和C₇₀Al₅Cl₃₆O₂的预测结构。

图5不同充电循环次数下的充放电图和表征© 2023 Wiely

（a）完全充电状态下前30个循环中电极材料变化的示意图。

（b-c）不同循环后（充至2.4 V）C₇₀正极的SEM图像和XRD图。

（d）C₇₀正极在200 mA g^-1电流密度下的循环性能。

（e）以200 mA g^-1的电流密度进行充放电测试时，C₇₀正极的在不同循环次数下的电压-容量曲线。

五、【成果启示】

该研究通过采用零维C₇₀作为正极材料，在提升可逆铝离子电池性能方面取得了显著进展。C₇₀正极展现了创纪录的比容量（在200 mA g^-1电流密度下，放电比容量为750 mAh g^-1）和显著的放电电压平台（约为1.65 V）。通过直接络合机制的Al-C₇₀电池，可提供创纪录的每单位活性物质质量下，1237.5 Wh Kg^-1的能量密度。通过对其进行了系统表征，发现卓越的电化学性能归因于两个主要因素：富勒烯的高化学活性使得每个碳笼上可以添加数十个（超级）卤素AlCl₄/Cl，这是其超高容量的基础；而富勒烯独特的零维结构具有高稳定性，在充放电过程中其固有结构不会被破坏，确保了出色的循环稳定性。此外，富勒烯提供了一个类似于石墨材料共轭结构的高放压平台，确保高能量密度。该研究不仅为可充电铝离子电池提供了一系列有极大潜力的富勒烯正极材料，同时也为新型电池的合理设计和灵活扩展提出了一种新的储能机制。

原文详情：Ultrahigh Capacity from Complexation-Enabled Aluminum-Ion Batteries with C₇₀as the Cathode(Adv. Mater.2023, 2306244.)

本文由赛恩斯供稿。