Nature子刊：天然石墨助力高性能铝离子电池

【引言】

由于移动设备需求的激增，电池的电能存储得到了研究人员的紧密关注。在各类不同种类的电池之间，因其质量比容量高，铝离子电池格外引人注目。在最近的电池研究领域中，科研人员对于具有铝阳极、石墨阴极和离子液体电解质的铝离子电池的研究兴趣日益增加。然而，在提高阴极电容和探索阴离子嵌入石墨机制等方面仍还有许多工作未完成。

【成果简介】

近日，国立台湾科技大学黄炳照教授，国立台湾师范大学陈家俊教授和斯坦福大学戴宏杰教授(共同通讯作者）在Nature Communications上发表了一篇题为“Advanced rechargeable aluminium ion battery with a high-quality natural graphite cathode”的文章。文中报道了一种利用天然石墨薄片作为阴极电极的铝离子电池，该电池电容到达约110 mAhg^-1，库伦效率约为98%。在6 C倍率下，电池电容为60 mAhg^-1，超过6000次充放电循环后库伦效率约为99%。另外，通过理论计算模拟研究了氯铝酸盐离子嵌入石墨层的行为机制。

【图文导读】

图1.独立天然石墨薄膜在铝离子电池中的应用

(a)独立天然石墨薄膜的制备过程(步骤A-D)和薄膜键合到导电碳带集电器过程(步骤E)示意图

(b)GFF电极顶部SEM图，比例尺10 μm，石墨膜厚约50 μm

(c)GFF电极横截面SEM图，比例尺100 μm，石墨膜厚约50 μm

图2.铝离子电池性能

(a)Al/NG电池恒电流充放电曲线，电流密度为66 mA/g

(b)不同电流密度下Al/NG电池的电容保持

(c-d)电流密度分别为660 mA/g和198 mA/g时Al/NG电池的长期稳定性测试

图3.天然石墨的结构和光谱演变

(a)NG在第二个循环充放电状态中的非原位XRD谱图，充电态标记为C，放电态标记为D

(b)NG阴极经过充放电循环后的原位拉曼谱

(c)充电电压分别为1.99 V，2.37 V，2.42 V，2.45 V以及放电电压分别为2.3 V，2.24 V，1.8 V，0.5 V时NG的拉曼谱

(d)200次充放电循环后NG电极的拉曼谱

图4.石墨非原位X射线光电发射谱

第二次循环后，在不同充电状态(标记为C)和放电状态(D)下测量Al/NG电池石墨阴极的非原位X射线光电发射谱

图5.石墨X射线吸收谱

(a)不同充放电态下天然石墨的荧光谱

(b)不同充放电态下天然石墨的总电子产额谱

图6.氯铝酸盐阴离子插入石墨层模型

由密度泛函原理和第一性原理计算得到AlCl₄^-阴离子插入石墨层边缘位置，绿色和红色球分别代表Cl和Al原子，碳原子是灰色原子

【小结】

本文报道了一种使用天然石墨薄片作为阴极电极的铝离子电池，该电池性能表现优异。同时，借由理论计算的手段，给出了一种氯铝酸盐离子嵌入石墨层可能的机理。

文献链接:Advanced rechargeable aluminium ion battery with a high-quality natural graphite cathode(Nature Communications, 2017, DOI: 10.1038/ncomms14283)

本文由材料人新能源组 Jon 供稿，材料牛编辑整理。

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