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航空航天学院武湛君教授团队在铝离子快充电池研究中取得重要进展

时间:2021-02-28   来源:运载工程与力学学部      

我校运载工程与力学学部航空航天学院与美国内布拉斯加州立大学林肯分校(University of Nebraska Lincoln)近期在《Nature Communications》合作发表题为“Ultra-fast charging in aluminum-ion batteries: electric double layers on active anode”的研究论文,报道了以液态金属合金作为阳极的铝离子电池展现的优异快充性能,及双电层在促进高速率电荷转移方面的新作用。文章第一作者为航空航天学院申薛靖博士和孙涛副研究员,通讯作者为航空航天学院武湛君教授和内布拉斯加州立大学林肯分校谭力副教授。

随着科技的不断发展,单一的结构材料或功能材料已无法满足其在民用、航空航天、军事领域等的应用需求。一种材料承担多种功能,对于实现航空航天器等的小型化、轻量化、高性能等意义重大。发展结构-储能一体化复合材料成为备受关注的研究热点和国际前沿。在依靠可逆氧化还原反应的储能体系中,铝离子电池具有成本低、不易燃烧和理论容量大等显著优点,且稳定的铝电极-电解质界面避免了锂金属或锂离子系统中常见的界面复杂性,从而可实现达数万次的可逆充放电循环。铝离子电池的优越性为开发稳定的新型结构-储能一体化复合材料提供可靠途径。

铝离子电池以稳定的性能和可快速充电能力闻名,使充电时间从数小时减少到数分钟成为现实。能否进一步将充电时间从几分钟缩短到几秒,同时保持大部分电池容量?目前,研究者们致力于获得更高的比容量,合成新的碳电极来促进吸附,或寻找经济性更好的有机电解质,而电解液和电极界面间电荷转移的内在关系却很少被关注。如果消除电荷转移的局限性,这将打破超级电容器和电池之间的界限,使设备兼具高容量和高速率等优点,这也将进一步促进对电极界面双电层结构理解的深入。

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武湛君教授团队在研究中发现,铝电极和有机电解质界面间的电荷转移可以被有效加速,铝单质沉积的位置不再局限于金属表面缺陷。在论文中,该团队报道了可充电铝离子电池比容量可高达200 mAh/g,接近石墨烯电极极限容量;且当进一步利用液态金属合金降低阳极能垒后,快速充电速率可达10000 C(0.3秒达到满容量),为目前报道过最快充电速度。更重要的是,电荷转移速度的提升使更多双电层中间产物得以发现,为更好的理解双电层在可充电电池中的作用提供途径。该研究更是为结构-储能一体化复合材料的进一步探索奠定了坚实的理论与实验基础。

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以上工作得到了高校基本科研业务费( DUT19ZD101 )等的大力支持。原文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-021-21108-4

责任编辑:秦博昱
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