▲第一作者：Ehsan Faegh
通讯作者：William E. Mustain
通讯单位：美国南卡罗来纳大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41560-020-00728-y
研究背景
基于铝的电池技术已被广泛认为是替换现有电池系统的最具有吸引力的选择之一，这主要是因为它有可能以低成本实现很高的能量密度。目前，许多报告已经定性分析了水性和非水性电解质中的一次或可再充电的铝基电池的化学成分。但是，在很长一段时间（约170年）中，实际上去应用这些化学成分一直都很困难。实际上，目前还没有研究出具有所需稳定性或能量密度的铝基电池。通常，不精确的研究并不能严密地评估电池实际应用中可达到的能量密度，因此铝基电池的性能在部分文献中被夸大了。
本文内容
本文为铝基电池提供了具有实用价值的电池容量和能量密度的准确计算（着眼于显示“高性能”的最新文献），并使用该结果严格评估了铝基电池的发展前景。
图文解析
▲图1 | Al作为AAB（铝-空气电池）和AIB（铝离子电池）阳极材料的吸引力和化学性质示意图
要点：
1.铝空气电池（AAB）的总反应方程式：
阳极反应方程式：
阴极反应方程式：
2.铝离子电池（AIB）的总反应方程式：
阳极反应方程式：
阴极反应方程式：
▲图2 | 评估铝作为阳极的电池的实际能量密度和使用寿命示意图
要点：
● 铝离子电池的理论能量密度和实际上的能量密度有非常大的差距，相差约8倍（图a粉红色线条）。
● 非水性的电池要比对应的水性电池的能量密度高，而且，水性的AAB和AIB的能量密度相差不大，但非水性的AAB的能量密度要比AIB的大几倍（图a）。
● 水性的电池的寿命要远小于非水性电池（图b）。
总结
本文从实际角度突出了铝电池技术的最新发展，并对铝电池技术中的当前的能量密度进行了定量分析。人们已经认识到，在水性碱性电解液中，主要由铝金属构成的阳极除了具有较差的Al（OH）4–离子溶解度之外，还具有严重的腐蚀和放气问题，从而导致钝化为Al（OH）3或Al2O3。 对于具有非水酸性IL电解质的Al基电池，需要携带大量的支持电解质，这大大降低了重量和体积能量密度。水性和非水性AIB电池性能的比较表明，水性系统可提供高容量，但循环寿命短且容量保持能力较差。 相反，非水性AIB具有更高的运行和循环寿命，但容量有限。 另外，它们还依赖于IL电解质中昂贵的电池材料来避免腐蚀（Ti，Ta，Mo），因此对于大多数应用而言，IL电解质可能是一种原始的电解质，尽管后续可能会开发出涂层来发展不锈钢集电器和更稳定的集电器。非水AIB的另一个问题是质量传输，因为离子移动发生在扩散的相反方向。
最后，现有离子液体中铝的基本化学性质要求携带大量电解质，这限制了该电池可达到的能量密度值的上限。 例如，Al/AlCl3– [EMIm]Cl/石墨AIB的实际能量密度为27到50 Wh kg-1。 在该电池系统中大量电解质对能量密度贡献是不可忽略的，这会使未来的铝离子电池的研究充满不确定性。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41560-020-00728-y返回搜狐，查看更多