北科大《Adv Mater》：用于快速存储波动能量的碳气凝胶轻质铝电池

高能量密度和快速充电的可充电电池被认为是最有前途的储能技术，可与间歇性和波动性可再生能源的大规模应用相匹配。可充电电池对可再生能源波动性电力的适应性至关重要。用于锂离子电池的锂和钴资源稀缺，无法满足未来可再生能源的指数级增长。最近，石墨电池因其良好的循环稳定性和高放电电压而受到广泛关注。然而，实现高能量密度和对波动电能的适应性仍是主要挑战，这主要取决于由活性材料和集流器组成的负极和正极。铝电池因其低成本、高容量和安全性，在可再生能源储存方面具有巨大潜力。高能量密度和对波动电能的适应性是其面临的主要挑战。

来自北京科技大学的学者基于新型分层多孔无枝晶碳气凝胶薄膜（CAF）负极和集成石墨复合碳气凝胶薄膜（GCAF）正极，构建了一种可快速存储波动能量的轻质铝电池。CAF负极上的含O官能团证实了一种新的诱导机制，可实现均匀的铝沉积。与传统的涂层正极相比，GCAF正极具有更高的质量利用率，这是因为石墨材料的负载质量极高（9.5-10.0 mg cm-2）。同时，GCAF正极的体积膨胀几乎可以忽略不计，因此具有更好的循环稳定性。由于采用了分层多孔结构，轻质GCAF全电池能够很好地适应大电流密度和波动电流密度。经过2000次循环后，电池的放电容量很大（115.6 mAh g-1），而且在高电流密度下充电时间很短（7.0分钟）。基于碳气凝胶电极的轻质铝电池的构造策略可促进高能量密度铝电池的突破，以适应波动性可再生能源的快速存储。相关文章以“A Carbon Aerogel Lightweight Al Battery for Fast Storage of Fluctuating Energy”标题发表在Advanced Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202303943

图1.轻质碳气凝胶薄膜（CAF）和石墨复合碳气凝胶薄膜（GCAF）电极的构建策略和表征。a)自支撑三维分层多孔CAF和GCAF的合成方案。b,c)纤维素纳米纤维气凝胶（CNFA）和碳气凝胶（CA，插图）（b）以及石墨复合纤维素纳米纤维气凝胶（GCNFA）和石墨复合碳气凝胶（GCA，插图）（c）的照片。d-f)碳气凝胶（CA）（d）、CAF（e）和GCAF（f）的扫描电子显微镜（SEM）图像。i,j)CA、CAF、碳布(CC)、碳纸(CP)、铝和铜负极（i）以及GCA、GCAF、石墨 Mo(GMo)、石墨 碳布(GCC)和石墨纸(GP)正极（j）的质量密度。[k)CAF和GCAF的X射线衍射（XRD）图和l)拉曼光谱。m)CNF粉末、CAF和GCAF的傅里叶变换红外（FTIR）光谱。n)2.0秒测量后各种负极材料（CAF、CA、CP和Al）与AlCl3:[EMIM]Cl离子液体电解质的润湿性。

图2.超长循环和无枝晶碳气凝胶薄膜(CAF)负极的电化学性能。a)循环性能，b)库仑效率，c)Al‖CAF、Al‖CP和Al‖Al对称电池在0.5 mA cm−2下的电压分布（容量为0.25 mAh cm−2）。d,e)Al‖CAF(d)和Al‖CA(e)对称电池在0.5、1.0和2.0 mA cm−2下的循环性能和库仑效率。f)CAF负极与先前报道的多孔铝(PAl)、Cu-Al和氮掺杂碳棒阵列(NCRA)的性能比较。g)碳气凝胶(CA)上铝沉积的电压曲线和1.0 mA cm−2下的CAF性能。

图3.含O官能团通过吸附AlCl3-xx+离子在碳气凝胶薄膜（CAF）负极上诱导铝沉积的新机制。b)原始CAF、浸入电解液中的活化CAF电极和在1 mA cm-2下有铝沉积的CAF电极（容量为4 mAh cm-2）的O 1s和c)Al 2p X射线光电子能谱(XPS)光谱。d)基于飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）测量的浸入电解液中的CAF电极上AlCl3-xx+离子的深度剖面图和e)三维溅射体积图像。f)基于密度泛函理论（DFT）计算的各种含氧官能团对AlCl3-xx+离子的吸附能。g)含氧官能团的CAF负极上铝沉积机理示意图。

图4.a)GCAF正极在不同电流密度（500、600、700、800、900和1000 mA g-1）下的充放电性能。b,c)GCAF（b）和石墨复合碳气凝胶（GCA）（c）正极在500 mA g-1下的循环性能和库仑效率。d,e)GCAF（d）和石墨纸（GP）（e）正极在500 mA g-1充电/放电过程中的原位光学照片。f)原始和完全充电/放电的GCAF正极在100个循环后的C 1s、g)Al 2p和h)Cl 2p X射线光电子能谱（XPS）光谱。

图5.a)CAF‖GCAF电池在波动电流密度下的性能。b)CAF‖GCAF电池在1000 mA g-1大电流密度下的循环性能和库仑效率。c-e)包括活性材料、集流体、导电剂和粘合剂在内的整个正极的质量比容量（c）、面积比容量（d）和充电时间（e）的比较。f)CAF‖GCAF全电池与之前报道的双石墨铝电池的性能比较。放电容量和能量密度是根据整个铝电池的正极和负极计算得出的。本研究（c-f）的结果是根据（b）的数据计算得出的。

本研究设计了一种新型自支撑分层多孔CAF负极和GCAF正极，以构建轻质铝电池。基于CAF上的含O功能基团与AlCl3-xx+离子之间的有效吸附作用，提出并证实了一种新的无枝晶铝沉积诱导机制，从而形成了丰富而均匀的铝沉积活性位点。值得注意的是，高负载质量（≈10.0 mg cm-2）的集成GCAF正极在900次循环后显示出较大的比容量（111.4 mAh g-1），并在较大电流密度下显示出极高的等容量（1.1 mAh cm-2）。特别是，与GP正极50倍的大体积膨胀相比，GCAF正极几乎没有体积膨胀。成本低、重量轻的CAF||GCAF全电池对500-1000 mA g-1范围内的波动电流具有良好的适应性，并具有7.0分钟的快速充电能力。在1000 mA g-1的高电流密度下，经过2000次循环后，放电容量保持在115.6 mA g-1。这项研究有望推动高能量密度铝电池的发展，从而快速储存波动的可再生能源。