Adv. Mater. 中科院深圳先进院：用于高倍率长循环稳定性的高能量密度双离子电池负极的碳包覆多孔铝箔

【引语】

近年来，科研人员将大量的精力投入到开发新一代具有更高的能量密度和功率密度、高安全性、低成本和更长的寿命的锂离子电池（LIBs）中去，以满足人们对便携式电子产品和电动汽车日益增长的需求。当然，除了研究LIBs，研究人员也一直在开发其他的电池结构，如钠离子、锂硫、锂空气电池。双离子电池（DIBs）是一种近年来发展起来的电池类型，它更加安全，能在更宽的电压窗口中工作，而且相比传统的LIBs来说成本更低。通常情况下，石墨能作为DIBs的正极和负极，是因为其本征的氧化还原两性，它允许电解质中的阳离子和阴离子嵌入和脱出于石墨层。阴离子嵌入过程通常发生在非常高的电位（4.5 V以上vs Li/Li+），而阳离子嵌入发生在非常低的电位（低于1 V vs Li/Li⁺），因此DIBs的工作电压高于常规的LIBs。然而，由于有机电解液在高电压下的电化学稳定性低，DIBs的循环稳定性仍不尽人意。利用宽电化学窗口的离子液体（IL）电解质是提高循环稳定性的一种有效途径，但ILs的高成本却阻碍了DIBs的工业化。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院的唐永炳教授课题组在Advanced Materials上发文，题为“Carbon-Coated Porous Aluminum Foil Anode for High-Rate, Long-Term Cycling Stability, and High Energy Density Dual-Ion Batteries”。 本文提出了用于高倍率，长循环稳定性，高能量密度的双离子电池负极的碳包覆多孔铝箔。

【主要内容】

该研究小组提出一种碳包覆三维多孔铝箔（pAl / C）作为DIBs的负极和集流体，使用的天然石墨作为正极材料以及优化后的碳酸盐作为电解质。3D多孔结构的pAl减轻了在电化学循环过程中的铝体积变化所引起的机械应力，也缩短了离子扩散长度。同时，碳包覆层有助于缓冲铝的体积变化，并缓解不良的表面反应。因此，归功于多孔导电结构与pAl/C负极中碳层的协同作用，该DIB表现出良好的循环稳定性，在2 C 倍率下，循环1000圈的可逆容量为93 mAh g⁻¹（1C容量为100 mAh g⁻¹）以及容量保持率达89.4%。该电池在3084 W kg⁻¹的高功率密度下的能量密度约为204 Wh kg⁻¹（15 C，4分钟内完成充电和放电），这一数值是现商业化的锂离子电池（在1000 W kg⁻¹下约为100 Wh kg⁻¹）的两倍，并且是已报道的DIB中性能最佳的。

【图文导读】

图一： pAl/C负极材料的制备流程示意图

图二：材料的形貌表征

（a，b）不同放大倍数下的pAl基材的横截面扫描电镜图像。插图（a）是pAl样品的光学照片。

（c，d）在不同放大倍数的pAl/C-2基材的SEM图像。插图（c）是pAl/C-2样品的光学照片。

（e，f）pAl 的EDX谱（e）和pAl/C-2（f）样本。

（g）pAl和pAl/C-2基材的拉曼光谱。

（h）pAl 和pAl/C-2材料在空气中的热重曲线。

图三：电化学性能测试

（a）pAl/C-G DIB在2 C倍率下的恒流充放电曲线。

（b）电池相应的dQ/dV微分曲线。

（c）pAl/C-G DIB在2C到20 C的不同倍率下的充放电曲线（在每个倍率下循环第六周期）

（d）DIB在不同倍率下相应的容量和库仑效率。

（e）pAl/C-G DIB在2 C倍率下循环1000圈的长期循环性能，以pAl和未经处理的铝箔作为对照。

图四：SEM图像和原位XRD谱

pAl/C-2负极的SEM图像（a）循环1000个周期前和（b，c）后。插图是相应的光学图像。未经处理的铝和（e）pAl箔在循环500个周期后的扫描电镜图像。（f）pAl/C-2负极循环1000次后的原位XRD谱。

【总结】

研究人员通过蚀刻、沉积和PAN凝固，以及随后的碳化的过程成功地制备了一个均匀的碳包覆多孔铝箔。利用pAl/C复合材料直接作为负极和集流体，利用天然石墨作为正极材料，成功地构建了一种新型的pAl/C-G DIB，该双离子电池具有良好的倍率性能和高可逆容量，以及长循环稳定性。pAl/C-G DIB的优越的电化学性能主要归因于pAl/C箔具有优化的结构和包覆层。3D的多孔铝结构提供了快速的离子/电子传输通道和足够的空间以容纳在Al-Li合金化过程中的体积膨胀。外碳层也有助于缓冲体积变化的影响和形成稳定的SEI膜。此外，pAl/C-G DIB在高功率密度下显示出超高的能量密度，远高于大多数LIBs和DIBs。这项工作为合成高性能DIBs铝基负极提供了一条有效途径。

文献链接：Carbon-Coated Porous Aluminum Foil Anode for High-Rate, Long-Term Cycling Stability, and High Energy Density Dual-Ion Batteries（Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201603735）

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