泡沫铝(泡沫铝的用途)

快速增长的电动汽车和大规模电网储能系统刺激泡沫铝了电化学储能技术的快速发展。由于地壳中的锂资源匮乏泡沫铝，开发和研究可替代新型储能器件是一种有效的策略。铝是地壳中含量最丰富的金属元素泡沫铝，基于铝（Al）开发的各种电池凭借其高丰度、高容量、低成本和高安全性等突出优点泡沫铝，在储能领域受到了广泛的关注和研究。

近日， 上海交通大学付超鹏、董安平教授团队和 武汉大学肖巍教授团队，在国际知名期刊 Advanced Materials上发表题为“Challenges and Strategies of Low-Cost Aluminum Anodes for High-Performance Al-Based Batteries”的综述论文。该论文 概述了目前铝基电池（包括一次铝空气电池和可充铝电池）中铝负极的最新研究进展。重点讨论了铝基电池中的负极反应机理和存在的问题，并系统地总结了克服铝负极挑战的各种策略，包括表面钝化膜、自腐蚀、体积膨胀和枝晶生长等。最后，展望了具有更高性能和安全性的先进铝电池的未来研究前景。

1. 水系铝电池

（1） Al- H2 O界面

铝负极的状态取决于电极电位和电解液的pH值，在强酸性（pH<4）或碱性（pH>8.5）溶液中，Al发生腐蚀溶解，分别生成 Al3+ 或Al O2 - 物种，在pH=4-8.5的溶液中，Al表面形成氧化膜。因此，在开发水性铝电池时，Al- H2 O界面的氧化物形成和腐蚀溶解问题需要研究。

图1. Al- H2 O界面

（2） 铝空气电池

铝空气电池由铝负极和空气阴极组成，通过活性铝与空气中的氧气在水性电解液中发生氧化还原反应输出电能。由于高安全性、环保和低成本，铝空气电池被认为是电动汽车或备用系统的十分有潜力的电池替代品。

图2. 铝能源循环

铝负极设计策略

铝空气电池的性能很大程度上取决于铝负极的纯度、合金元素、微观结构、表面改性以及铝基复合材料的加工和形成。

图3. 铝负极设计策略

（3） 水系铝离子电池

目前，可充铝离子电池的研究主要集中在以离子液体为电解液的铝基电池。然而，离子液体电解液的严重腐蚀性，对 H2 O/O 2 的高敏感性以及高成本阻碍了铝离子电池的实际应用。因此，考虑到成本、安全性等因素，水系的铝离子电池（AAIBs）成为储能系统的理想选择。然而铝负极易形成钝化膜以及发生析氢副反应，制约了其进一步的研究。

水电解质中铝负极的界面电化学

铝负极设计策略

2. 非水系铝电池

（1） 非水电解质中铝负极的界面电化学

（2） 非水铝离子电池

纯铝负极

铝合金负极泡沫铝：铝合金中的活性成分可以促进铝的均匀成核和生长，而铝合金中的非活性成分可以作为基体保持负极的结构稳定性。合金成分还可以抑制致密氧化膜的形成，这有利于 Al 3+ 转移并降低电荷转移电阻。因此，合适的铝合金有利于形成稳定的铝/电解质界面。

（3） 可充电 Al- O2 电池

（4） 可充电铝硫族电池

3. 铝-石墨双离子电池

铝石墨双离子电池，在充电过程中电解液中的 Li+ 离子沉积在Al负极上形成AlLi合金，而P F6 - 阴离子嵌入石墨阴极。铝箔同时用作活性材料和集流体，可以降低电池重量/成本并提高能量密度。

铝箔

结构设计

为了解决体积膨胀引起的铝负极开裂和粉化问题，铝负极的结构设计需要降低机械应力。为了提高循环性能，采用3D多孔泡沫铝作为铝石墨双离子电池中的负极。3D泡沫铝负极可以减轻充放电过程中的结构破坏，有助于提高铝石墨双离子电池的高比容量和优异的循环寿命。

界面改性

界面改性是提高铝石墨双离子电池长期循环性能的另一种策略。界面工程可以有效地引导合金化并限制合金尺寸，以减轻铝负极的粉化和体积膨胀，提高电池倍率性能和循环稳定性。

4. 其他铝基电池

5. 铝负极挑战和解决方案

作为目前唯一的三电子转移电化学体系，由于其与传统的单价/二价电池体系显著不同的电化学特性，因此有关铝电池的基础性研究十分重要且面临着诸多挑战。

表面钝化膜

铝表面上的绝缘氧化铝层是离子和电绝缘的，极大地限制了充电和放电过程中的离子/电子转移。去除氧化层后，新鲜的铝表面暴露出来，有利于负极/电解质界面的电化学反应。此外，使用含有特定合金元素的铝合金负极也有助于抑制表面钝化。铝负极中特定的合金元素会破坏氧化层的致密性。

自腐蚀

铝负极的自腐蚀是一个很大的挑战，通过合金化、微观结构调控、铝负极的表面改性和铝基复合材料的形成可用于抑制铝负极的自腐蚀。在电解液方面，可以在碱性电解液中加入添加剂来抑制铝空气电池的自腐蚀。对于可充电铝电池，大多数研究都是基于腐蚀性的氯铝酸盐离子液体电解质，探索在离子液体中加入添加剂也可抑制自腐蚀。

枝晶的生长

枝晶形成会造成安全隐患，还会降低库仑效率。为了抑制枝晶形成，必须控制扩散速率和电荷转移/成核速率。通过构建3D结构或纳米结构的铝负极以提供丰富的活性成核位点，有利于均匀电沉积。通过涂层改变界面也是抑制铝枝晶形成的有效方法。此外，可以通过降低电解质的粘度以加速传质来增加Al离子的扩散系数。

体积膨胀

铝负极的体积膨胀是由连续的合金化/脱合金反应引起的。体积变化不仅会引起Al负极粉化，还会引起SEI层的反复破坏和生成，导致电解液的不断消耗。体积变化导致容量快速衰减，降低循环寿命。通过创建具有3D网络或多孔结构的铝负极可以缓解体积膨胀。此外，在铝负极上涂覆保护层也也有助于抑制体积变化和避免电极粉化。

图4. 铝电池的挑战与应对策略

6. 结论和观点

本综述全面总结了目前各种类型的铝基电池，重点介绍了用于铝空气电池和可充电铝电池的铝负极存在的问题以及解决策略。对于铝空气电池，提出包括控制晶粒尺寸和结晶度、合金化和表面改性等策略最大限度降低自腐蚀。对于可充电铝电池，铝负极和电解质之间适当的界面设计是提高电池性能的关键。目前，铝基电池的发展仍然面临诸多挑战。从应用的角度来说，铝电池具有高安全性和低成本等优势，毫无疑问是一个富有前景的代替性选项。此外，一些相对成熟的铝电池开始商业化。在不久的将来，我们的日常生活中确实有可能使用低成本和高性能的铝电池。

Challenges and Strategies of Low-Cost Aluminum Anodes for High-Performance Al-Based Batteries

Min Jiang, Chaopeng Fu, Pengyu Meng, Jianming Ren, Jing Wang, Junfu Bu, Anping Dong, Jiao Zhang, Wei Xiao, Baode Sun

导师介绍

董安平

https://www.x-mol.com/university/faculty/18138