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揭示铝镍电池金属间化合物化学在储能应用中的关键作用：设计、性能与原子尺度机理
可充电铝电池因其化学安全性更高、资料储量丰厚且本钱低于传统锂离子电池，正成为未来储能计划的研讨热门。铝基电池商业化面对的首要应战在于正极中铝离子嵌入的难度。本研讨提出以铝为负极、电堆积镍泡沫为正极，合作低共熔[EMIm]Cl-AlCl3+作为电解质。放电过程中，铝自发与镍构成金属间化合物；充电时，该金属间化合物产生解离，使铝能从头堆积于负极。选用兼具集流体和正极功用的泡沫镍，其三维微孔结构可有效习惯放电过程中的体积应力。该金属间化合物电池展现出安稳的电化学功能，在25 mA/g电流密度下可完成153 mAh/g的比容量。3能量密度到达68 Wh/kg，优于传统铅酸电池。经过电化学机制研讨以及原子尺度上对容量衰减（由体积扩展包驱动）和铝迁移倾向的了解，−1揭示了放电循环中构成的多种金属间化合物相内上述过程的机理，为电池功能提供了深化见解，一起标明这种新式金属间化合物电池化学系统有望成为电动汽车和电网储能领域新一代储能解决计划的有力候选者。3+ within various intermetallic phases formed in the discharge cycle, show insight into the performance of the batteries, and positioning this new intermetallic battery chemistry as a promising candidate for the next-generation energy storage solutions in electric vehicles and grid storage applications.
导言
全球能源需求伴随着一项严重应战：如何为燃料电池[1,2]、电池[3]和超级电容器[4]等新式储能技能寻找最适合大规模开发与使用的解决计划。近年来，寻找更具经济性、环境友好性和高效性的储能计划已成为研讨热门。各类电化学系统是日常日子中最遍及的能量存储系统，锂离子电池便是其间之一[5,6]。在传统锂离子电池（单体电池）中，锂...+锂离子在电极主体结构中的嵌入/脱嵌过程为电池提供能量[7,8]。然而，传统锂离子电池存在本钱较高、安全隐患及锂资源供应危险等问题[9]。为此，研讨人员正探索多种新式电池系统作为潜在代替计划。在很多锂离子电池代替技能中，铝基电池因其高能量密度特性[10,11]、原资料储量丰厚及环境友好等优势而备受重视。
铝是地壳中含量第三丰厚的元素，首要分布在几内亚、澳大利亚、越南、巴西、牙买加和印度等国家。其间印度铝土矿储量极为丰厚，全球排名第六位[12]。近年来，铝电池因其低可燃性及三电子氧化还原特性所产生的高容量特性，开端受到开始重视[13]。此外，由于铝的高密度特性（2.7 g/cm³），其体积容量高于锂、钾、镁、钠、钙和锌等金属。在25°C下密度为7 g/cm³），使其成为可充电储能使用中更具潜力的候选资料[14,15]。此外，其体积容量比锂高出3倍。因而，铝基电池具有更安全的化学特性、本钱低价且可扩展性强，一起减少了大容量储能使用对锂化学系统的依赖。在石墨基锂离子电池中，锂在高充电速率下会以枝晶方式析出，导致电池短路。相反，铝的提取是经过霍尔-埃鲁法在高温下进行的[16]，它是少数几种能以高堆积速率经过电堆积方式提取且不构成枝晶的常见金属之一。
然而，为杂乱铝离子的嵌入寻找合适的宿主电极资料始终是一项要害应战。现在，已有多种新兴正极资料被报导，例如钒基化合物2[17]、二氧化钛5[18]等研讨标明，碳基复合正极资料[19]和铜基纳米颗粒[20]虽具有更高的循环安稳性和优异功能，但由于结构完好性问题和杂乱组成策略，其容量降低，约束了实践使用。虽然很多正极资料展现出较高比容量，但会伴随体积胀大及体积应力的产生，进而导致电池失效。因而，需求根据简略可逆化学规划差异化策略，经过电极纳米结构化来消除因金属间化合物构成而在正极产生的体积应力。2 [18], etc. Carbon-composite-based cathode materials [19] and Cu based nanoparticles [20]have shown higher cycle stability and superior performance, but due to structural integrity and complex synthesis strategy, their capacity becomes lower, which restrains them from practical application. Although many cathode materials show higher specific capacities, they experience volume expansions, as well as volumetric stress that could lead to the failure of the cell. So, a distinct approach is required based on simple reversible chemistry, where the volumetric stress generated at the positive electrode due to the formation of intermetallic will be taken care of by nano-structuring the electrodes.
本研讨旨在开发一种新式铝镍金属间化合物电池，选用共晶[EMIm]Cl-AlCl3室温离子盐作为电解质[21,22]。负极资料（Al）将选用铝箔制备，正极则为具有微孔纳米枝晶结构的三维镍泡沫资料，其增大的比表面积可加速铝3[翻译中止，后续内容缺失]3+扩散与更优的应力习惯。放电过程中，负极处的Al会自发氧化，在正极处构成Al-Ni金属间化合物。充电时，Al-Ni脱合金化反响将在正极产生，一起在负极以纯Al方式堆积（图1）。
本研讨首要聚焦于资料特性、电化学机制，以及根据原子尺度了解铝元素在体积胀大（Expansion）驱动下的容量衰减与迁移倾向。3+在放电循环中构成的多种金属间化合物相内，本研讨报导了153 mAh/g的比容量和68 Wh/kg的能量密度，该数值高于传统铅酸电池。因而，了解这种新式金属间化合物电池化学的功能，并经过平衡高容量、长循环寿命和增强安全性等目标进一步优化其功率，或许成为满意下一代储能需求的潜在解决计划之一。