青島大學李洪森課題組在構建高性能鋁離子電池取得重要進展

2020-12-05 小材科研

鋁離子電池(AIBs)由於鋁的豐度高、固有安全性和三電子氧化還原性能，是下一代高性價比電池技術的理想選擇。鋁離子電池是近期發展起來的以金屬鋁為負極、以富含Al3+和AlCl4-的離子液體為電解液的新型儲能裝置。其體積能量密度是傳統鋰離子電池的4倍，是鈉離子電池的7倍，此外，鋁是地殼豐度最高的金屬，因此鋁離子電池被認為是極有應用前景的新型電池系統。儘管研究學者們在尋找合適的電解液方面取得了很大的進展，但是AIBs的一個持續的研究重點仍然是為大型鋁(絡合物)離子開發主電極。

近日，青島大學物理科學學院李洪森教授課題組通過使用離子絡合和限域硫化的方法合成了一種由超薄納米片堆疊而成的具有獨特的二維WS2微米片，並將其作為正極材料應用於鋁離子電池。以第一性原理計算和一系列的非原位表徵手段首次揭示了WS2基鋁離子電池的儲能機制。所組裝的WS2//Al電池展現出優異的電化學性能，展現出良好的全天候應用能力。該方法和所提出的機制為今後高性能離子電池（AIBs)的進一步發展奠定了基礎。該項研究成果以「Designing two-dimensional WS2 layered cathode for high-performance aluminum-ion batteries: From micro-assemblies to insertion mechanism」為題發表在國際著名期刊《Nano Today》上。碩士研究生趙忠晨為本文的第一作者，李洪森教授為通訊作者，青島大學為第一單位。

本文研究團隊製備了一種星形的二維WS2微片組裝陰極替代物，並首次在鋁離子電池（AIBs)中應用。通過密度泛函理論(DFT)計算、x射線原位光電子能譜(XPS)和x射線衍射(XRD)的深入研究，揭示了氯鋁酸鹽陰離子(AlCl4)在WS2電極中的顯式插層機制。受益於他們的結構配置，所組裝的WS2//Al電池展現出優異的電化學性能，在1 A g-1大電流密度下循環500次後比容量穩定在119 mAh g-1，此外，隨溫度變化的充放電試驗表明，在-20~70℃的較大溫度範圍內，該鋁離子電池都可以穩定工作。

論文要點：1、星狀2D WS2微表組件的設計新方法；2、深入了解氯鋁酸鹽陰離子在二維陰極中的插層機理；3、卓越的循環穩定性，具有高可逆容量的2D WS2微貼片組裝的AIBs陰極。

文章連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013220300396

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