中南大学唐有根-王海燕课题组CEJ：无沉淀电解液助力高容量和长寿命的铝空气电池
文 章 信 息
无沉淀电解液助力高容量和长寿命的铝空气电池
第一作者：吕超南
通讯作者：李熠鑫，唐有根，王海燕
通讯单位：中南大学化学化工学院
研 究 背 景
铝空气电池因其高能量密度、低成本和环境友好被认为是理想的下一代能量转换系统。然而，金属铝阳极在强碱性的电解液中遭受严重的自腐蚀，不仅产生大量的氢气威胁电池安全，同时导致阳极利用率降低、电池使用寿命缩短。此外，随着放电的不断进行，胶状的放电副产物氢氧化铝逐渐聚集并析出，增加了电解液粘度，导致电解液流动困难和电池极化增大。放电副产物也会粘附在阴极催化剂表面，覆盖活性位点，降低催化剂活性。
文 章 简 介
基于此，中南大学唐有根-王海燕课题组在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表了题为“Precipitation-free aluminum-air batteries with high capacity and durable service life”的研究论文。该研究以聚丙烯酸钠水溶液(PANa)为电解液添加剂，发现PANa能够与水分子形成新的强氢键，打破了水分子间原有的氢键网络，有效降低水分子活性。同时PANa在水溶液中电离出的大量羧酸根阴离子长链通过静电作用吸附在副产物微晶表面，使副产物表面带有相同的负电荷，利用静电斥力阻止副产物聚集沉淀。
本 文 要 点
要点一：实验和理论相结合证明氢键的生成
基于核磁氢谱，红外以及拉曼测试发现PANa的加入与水分子形成了新的氢键，打破了水分子间氢键网络，使水分子活性降低，有利于抑制铝阳极腐蚀。理论计算表明了PANa与水分子间存在较强的结合能，进一步证明了PANa与水分子间的强作用。
图1. 谱学表征及理论计算证明氢键生成.
要点二：铝阳极腐蚀速率和剥离形貌研究
电势窗及极化曲线测试表明析氢电位随着PANa含量的增加逐渐增大，并且原位显微镜可以发现在含有PANa的电解液中氢气产生速率明显降低。SEM以及Comsol模拟表明在PANa电解液中，铝阳极表面较平整并且表面电场分布均匀，证明了在含有PANa的电解液中，铝离子在静置和放电过程中都是均匀剥离，这有利于全电池放电电压的稳定。
图2. 电解液电化学表征，阳极表面形貌和电场分布模拟。
图3. 不同电解液中的铝阳极在放电12 h后的形貌表征。
要点三：高比容量，长循环寿命的铝空气电池构建
使用优化后的PANa基电解液组装的铝空气全电池比容量可达到2096 mAh g−1，并且放电电压比使用纯氢氧化钾电解液的电池更加光滑平稳。电池的放电寿命达到55 h，远高于使用纯氢氧化钾电解液的电池寿命。同时SEM也证明了放电后的阴极催化剂保持了较好的形貌和催化性能，有利于循环利用。
图4. 铝空气全电池测试。
要点四：无沉淀电解液的机理分析和普适性研究
理论计算和zeta电位显示电离的聚丙烯酸根阴离子通过静电作用吸附在副产物微晶表面，使副产物表面形成双电层带有相同的负电荷，通过静电斥力防止副产物聚集沉淀。同时该策略也成功应用于镁空气电池，构建了无副产物沉淀的镁空气电池。
图5. 无沉淀电解液机理探究和镁空气电池放电测试。
文 章 链 接
Precipitation-free aluminum-air batteries with high capacity and durable service life
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142182
通 讯 作 者 简 介
李熠鑫：中南大学化学化工学院讲师，硕士生导师，研究方向主要是水系二次电池和金属燃料电池。2012-2021年在南开大学化学学院学习，先后获得化学学士（2016年）和无机化学博士（2021年）学位，师从无机化学家陈军院士。2021年9月入职中南大学。目前发表SCI论文20余篇，近五年以第一作者和通讯作者在J. Am. Chem.Soc., Chem, Adv. Funct. Mater.等国内外知名期刊发文9篇，主持湖南省自然科学基金青年项目，教育部重点实验室开放基金和中南大学科研启动基金。受邀担任国产高水平期刊eScience的青年编委。
王海燕：中南大学化学化工学院教授，博士生导师，青年长江学者，香江学者，湖南省科技创新领军人才，省杰出青年基金获得者，湖湘青年英才，长沙市“3635”战略紧缺高层次人才，中南大学“升华育英”学者。担任化学电源湖南省重点实验室副主任，中国储能与动力电池及其材料专业委员会副秘书长，湖南省电池行业协会执行秘书长及专委会副主任。
近几年一直从事能源材料化学和应用电化学的基础研究，目前以第一或通讯作者在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ Sci., Adv. Mater.等国内外知名期刊发表论文160余篇，其中入选ESI全球高引论文13篇，热引论文4篇，论文已被他引9000余次，H指数为56。获授权国家发明专利15项，获湖南省自然科学二等奖（2020），重庆市科技进步一等奖（2017）和天津市科技进步三等奖等。
唐有根：中南大学化学化工学院，二级教授，博士生导师，化学电源湖南省重点实验室主任,中南大学化学电源与材料研究所所长，中国储能与动力电源及其材料专业委员会常务副主任兼秘书长，中国仪表材料学会常务理事，中国电池工业协会理事，中国电化学专业委员会委员，《储能科学与技术》、《功能材料》、《工业电池》编委。
近年来主要从事新型能源材料与电池器件的研究，先后承担国家重点科技攻关项目、国家“863”高技术计划项目、国家自然科学基金、湖南省重点科技攻关项目等纵向项目和企业横向项目20余项。先后荣获省部级科技进步奖12项，获国家发明专利8项。出版专著和教材5部，在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Nano Energy等国际知名期刊发表SCI论文120余篇。
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