蘇州納米所藺洪振團隊等AFM：高體積能量密度鋁硫電池的構筑、設計與展望
鋁硫（Al-S）電池由于其高體積能量密度、高安全性、低成本以及Al和S元素的高豐度而被認為是可以滿足日益增長儲能需求的替代品。然而，鋁硫電池仍存在許多挑戰(zhàn)，如多硫化物轉化動力學緩慢、電解液兼容性差和潛在的鋁腐蝕和枝晶形成等問題。當前大多數研究都集中在設計或開發(fā)合適的基體材料或優(yōu)化兼容的電解質上，以尋求高性能的Al-S體系，包括：i) 設計高導電性的基體來提高電極電導率；ii) 開發(fā)雜原子摻雜的多孔結構，以物理/化學方式錨定易溶于電解液的多硫化鋁；iii) 引入適當的電解液成分與硫正極和鋁負極高度兼容，以獲得高反應動力學和較低的極化。然而，目前對Al-S電池的研究現狀及進一步發(fā)展仍然缺乏系統而深入的總結和分析?；趯︿X硫電化學的系統理解，結合團隊前期在SEI層調控Li傳輸以抑制枝晶的形成及引入活性催化劑/活化劑改變界面位點活性，降低鋰擴散與反應勢壘等研究基礎 (Adv. Funct. Mater. 2022, 31, 2110468; ACS Nano 2022, 16, 17729; Energy Storage Mater. 2022, 52, 210；Chem. Eng. J. 2022, 446, 137291; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007434; Adv. Sci. 2022, 2202244; Nano Lett. 2022, 22, 8008; Nano Lett. 2021, 21, 3245；Energy. Environ. Mater. 2022, 5,731; Chem. Eng. J. 2022, 429, 132352; Energy Storage Mater. 2019, 18, 246; Energy Storage Mater. 2020, 28, 375; J. Mater. Chem. A 2020, 8, 22240; Chem. Eng. J. 2020, 417, 128172)，撰寫了全面實現高體積能量密度鋁-硫二次電池策略的綜述文章。
基于對鋁硫電池目前的研究進展缺乏系統認知的現狀，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所藺洪振研究員與德國亥姆赫茲電化學研究所王健博士（現為洪堡學者）聯合西安理工大學游才印團隊張靜博士，全面綜述了抑制多硫化物的穿梭以及平滑的鋁負極溶解/沉積的具體策略。重點闡述了硫正極從吸附到促進多硫化物轉化動力學的催化劑調控的發(fā)展；電解質從簡單的組分調控到降低離子傳輸勢壘的演變；鋁負極保護結合離子傳輸調控策略實現無枝晶鋁負極，更清晰地解讀了Al-S電池可能的電化學反應機制及該體系中高活性催化劑潛在的工作機制。最后，進一步展望了實現高性能Al-S電池的方法及大規(guī)模儲能應用面臨的機遇和挑戰(zhàn)，對發(fā)展高能量密度快速充放Al-S電池體系具有重要的啟示作用。
圖1. Al-S電池存在的主要問題及解決方案示意圖
鋁硫電池電化學反應原理及目前存在的主要問題。從鋁硫電池電化學反應原理出發(fā)，總結出不能實現高性能的主要原因為：多硫化鋁轉化動力學緩慢、電解液兼容性差和離子傳輸較慢、潛在的鋁腐蝕和枝晶的形成等，嚴重阻礙了快速充放電Al-S電池的發(fā)展（圖1）。
圖2. 高活性SACs高活性催化劑促進高效硫轉化和抑制多硫化物穿梭
系統總結和分析促進高效硫轉化和抑制多硫化物穿梭的吸附催化策略。隨著對高能量密度要求的不斷提高，高含硫正極是實現高面容量和高體積能量密度的必要條件。而傳統的載體設計與極性位點的植入可以加強基體多硫化物的吸附。隨著高含硫正極的吸附位點趨于飽和，常見的吸附策略抑制穿梭效應的能力有限。進一步提出的“吸附-催化”組合策略，充分利用各自的優(yōu)勢，通過提高轉化動力學來緩解多硫化物的累積，增強對穿梭效應的抑制效果。重點介紹了金屬基催化劑有效提升多硫化物相互轉化動力學的機制，對提高硫利用率和降低電池極化的促進作用（圖2）。
圖3. 室溫離子液體電解液對Al-S電化學反應機制及離子傳輸的影響
圖4. 借助離子液體電解液成分結合電壓窗口操控實現電化學反應路徑的調控
利用低成本水系電解液和高可逆性離子液體實現高可逆的Al-S電池體系。將可充電鋁基電池推向更高容量水平的不可或缺的部分是兼容電解液的選擇。事實上，可充電鋁硫電池還處于嘗試階段。早期的無機熔鹽體系電解質對溫度的依耐性強且粘度非常高。低粘度電解液中離子的高輸運更有利于實現高性能鋁硫電池。近年來發(fā)展起來的水系電解液具有較快的離子傳輸和低粘度，但該電池體系下存在鋁表面氧化/鈍化層形成、析氫副反應等問題。而室溫離子液體作為Al-S電池的電解液，有助于鋁離子的快速溶劑化/脫溶，具有高離子電導率?；诖?，重點綜述了高可逆性的室溫離子液體電解液從簡單的組分調控到降低離子傳輸勢壘的發(fā)展過程，以及離子液體促進實現高離子傳輸動力學的機制（圖3和圖4）。
圖5. Al-Cu合金異質結構調控鋰傳輸動力學實現無枝晶鋁沉積
結合表面修飾層防止鋁腐蝕與鋁離子傳輸動力學調控策略發(fā)展無枝晶鋁負極。在Al-S電化學中，負極Al沉積是從Al離子脫溶到鋁原子成核和擴散的逐步鋁沉積的過程。從溶劑化結構中釋放自由Al3+的脫溶速率及后續(xù)鋁原子在鋁表面的擴散速率，是形成均勻離子通量的決定因素。因此，和鋰金屬負極的鋰沉積原理類似，為了獲得Al離子/原子動力學，必須克服高的脫溶、成核和擴散勢壘，以形成均勻和橫向鋁沉積。當前，通過Al合金化的方式實現了鋰傳輸動力學的調控，促進了無枝晶鋁沉積。未來有望通過催化策略調控沉積動力學實現無枝晶的長壽命鋁基電池（圖5）。
以上研究成果以Strategies for Realizing Rechargeable High Volumetric Energy Density Conversion-Based Aluminum Sulfur Batteries為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊中。論文第一作者為西安理工大學張靜博士，通訊作者為西安理工大學游才印教授、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所藺洪振研究員與德國亥姆赫茲電化學研究所王健博士。以上聯合工作受到了江蘇省自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金及德國Alexander von Humboldt Foundation（洪堡基金）等基金項目支持。
附件下載：
