科学家开发出具有更高存储容量的铝离子电池

研究人员开发了一种使用有机氧化还原聚合物的铝离子电池正极材料，该材料显示出比石墨更高的容量。该电极材料成功地进行了5000次充电循环，在10C下保留了88%的容量，标志着铝电池开发的重大进步。

一个研究小组创造了一种有机氧化还原聚合物，用作铝离子电池的正极。

铝离子电池正在成为传统电池的潜在替代者，传统电池依赖于锂等难以获取且难以回收的材料。这种转变归因于铝在地壳中的丰富性、可回收性以及相对于锂的相对安全性和成本效益。

尽管如此，铝离子电池的进步仍处于早期阶段，因为研究人员仍在寻找能够提供足够存储容量的合适电极材料。最近，由乌尔姆大学 Birgit Esser 教授、弗莱堡大学Ingo Krossing 教授和 Anna Fischer 教授领导的研究团队在这一领域取得了突破性进展。高蒂尔·斯图德。该团队开发了一种由基于吩噻嗪的有机氧化还原聚合物组成的正极材料。

在实验中，采用这种电极材料的铝电池存储了前所未有的每克167毫安时（mAh/g）的容量。因此，有机氧化还原聚合物的容量超过了石墨，迄今为止石墨主要用作电池的电极材料。研究结果发表在《能源与环境科学》杂志上。

电极材料插入复杂的铝阴离子

电极材料在电池充电过程中被氧化，从而吸收复杂的铝酸盐阴离子。这样，有机氧化还原聚合物聚(3-乙烯基-N-甲基吩噻嗪)在充电过程中可逆地插入两个[AlCl ₄ ] ^-阴离子。研究人员使用离子液体乙基甲基咪唑氯化物作为电解质，并添加了氯化铝。

电池示意图显示了电极材料被氧化并沉积铝酸盐阴离子的氧化还原过程。图片来源：Birgit Esser / 弗莱堡大学

“铝电池的研究是一个令人兴奋的研究领域，对于未来的储能系统具有巨大的潜力，”Gauthier Studer 说。“我们的重点在于开发具有高性能和可逆特性的新型有机氧化还原活性材料。通过研究聚（3-乙烯基-N-甲基吩噻嗪）在氯铝酸盐基离子液体中的氧化还原性能，我们首次展示了吩噻嗪基电极材料的可逆双电子氧化还原过程，取得了重大突破。 ”

在 10 C 下充电 5,000 次后，电池仍保留 88% 的容量

聚(3-乙烯基-N-甲基吩噻嗪)在0.81和1.65伏的电势下沉积[AlCl ₄ ] ^-阴离子，并提供高达167 mAh/g的比容量。相比之下，石墨作为铝电池电极材料的放电容量为120mAh/g。经过5000次充电循环后，研究团队展示的电池在10C，即6分钟充放电速率下仍具有88%的容量。在较低的 C 倍率下，即较长的充电和放电时间，电池会恢复到其原始容量。

Birgit Esser 表示：“该电极材料具有高放电电压和比容量，以及在快速 C 倍率下出色的容量保持能力，代表了可充电铝电池以及先进且经济实惠的储能解决方案开发的重大进步。” 。

参考文献：“以双电子吩噻嗪氧化还原聚合物作为正极的高容量铝电池”作者：Gauthier Studer、Alexei Schmidt、Jan Büttner、Maximilian Schmidt、Anna Fischer、Ingo Krossing 和 Birgit Esser，2023 年 5 月 22 日，能源与环境科学。
DOI：10.1039/D3EE00235G

该项目由德国研究基金会 (DFG)（SPP 2248 内的 AMPERE 项目 – 聚合物电池、POLiS – EXC 2154、livMatS – EXC 2193）以及德国联邦环境基金会、bwForCluster JUSTUS 2、Eva 资助Mayr-Stihl-Stiftung（Saltus！）和巴登符腾堡州（bwHCP）。