【儀表網 研發快訊】可充電鋁電池(RABs)以其豐富的資源儲量和獨特的性能優勢，如高鋁豐度和成本優勢，已成為儲能創新的焦點。然而，RABs的發展受到一些挑戰的阻礙，特別是鋁陽極在循環過程中容易發生腐蝕、鈍化和枝晶生長，導致電池容量快速退化和循環壽命縮短，這極大地阻礙了它們的商業化和實際應用。綜合研究表明，電鍍/剝離過程中Al枝晶的形成主要受以下關鍵因素調控：(i)電極表面微觀異質性的影響。鋁電極的表面粗糙度、雜質及氧化層缺陷等微觀結構異質性，導致局部電化學活性差異和電流密度分布畸變，在表面凸起區域形成電荷富集中心，加速金屬離子的優先還原和晶核的擇優生長；(ii)傳質動力學的制約。濃差極化引發的離子濃度梯度場中，當固/液界面的沉積速率超過體相擴散速率時，局部區域的離子耗盡將誘發空間電荷層重構，形成枝晶生長的自催化環境；(iii)高倍率下的動態失衡。在臨界電流密度閾值以上，受限于離子遷移數不足和雙電層動態響應遲滯，電極表面形成非均勻的離子通量分布，導致金屬沉積的時空異質性加劇；(iv)過電位驅動的形核競爭。當體系偏離熱力學平衡態時，較高的過電位不僅降低形核能壘，同時引發晶體生長動力學與表面擴散過程的失配，促進三維枝晶結構的縱向生長而非二維外延生長。因此，通過優化電極/電解質界面來抑制枝晶，提高Al陽極的穩定性至關重要。
目前，為了實現穩定的陽極，已經設計了各種優化電極/電解質界面的策略，如陽極結構設計、保護層的應用、隔膜功能化和電解質優化。值得注意的是，電解質對改善電池內部的離子傳輸至關重要，其化學成分和濃度顯著影響離子傳輸動力學，以及Al陽極的形態和反應機制在影響電解液性能的諸多因素中，添加劑的引入為優化RABs的性能提供了一種新的策略。合適的添加劑可以提高離子電導率，抑制電極表面的副反應，提高界面穩定性，從而提高充放電效率、循環壽命和能量密度。因此，加入適當的添加劑來優化電解質內的離子傳輸動力學和調節電極界面被認為是一種有前景的策略，可以顯著減少枝晶的形成，提高電池的電化學性能。
圖1. (a) RABs中Al陽極/電解質界面示意圖。(b)不同狀態(靜置、充電、放電)下電極表面SDBS分布示意圖。
圖2. (a) 純ILs和SDBS優化電解質中沉積Al的機理示意圖。(h-i)純ILs和SDBS優化電解液中鋁電鍍/剝離過程的原位光學顯微鏡圖像。
針對這一問題，西安交通大學化學學院熊禮龍團隊發現陰離子表面活性劑(十二烷基苯磺酸鈉，SDBS)作為一種具有成本效益的添加劑，在用作電解質添加劑時，通過動態均勻化界面電場來穩定Al陽極/電解質界面(圖1a)。最初，SDBS中烷基鏈的表面張力有利于在電極上形成吸附層，減輕氯鋁酸離子液體(ILs)對Al陽極的腐蝕，從而增強其保護效果和表面均勻性。隨后，SDBS吸附層中的負離子在Al陽極表面形成-SO3靜電屏蔽，而苯環調節吸附層的電負性。這些結構可以優化離子遷移，減少濃度極化，確保離子均勻分布在電極表面，防止離子富集或耗盡。它們還可以調節離子還原反應速率，平衡離子在晶核上的沉積和擴散速率，從而防止局部Al原子的積累。最終，SDBS吸附層保證了Al陽極上均勻的電場分布和電流密度，促進了Al的細小的顆粒和致密沉積，從而避免不規則的枝晶。本研究作為一種精準調控電解質特性和電極/電解質界面行為的方法，為解決鋁陽極的穩定性挑戰提供了一種有前景的策略。
該研究成果以“Uniform Ion Flow Effect of Dynamic Electrostatic Shielding Layer for Facilitating Homogeneous Nucleation and Deposition on Aluminum Anode”(動態靜電屏蔽層的均勻離子流效應促進鋁陽極的均勻形核和沉積)為題發表在國際化學領域權威期刊《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)上，西安交通大學化學學院為唯一通訊單位。論文第一作者為西安交通大學博士生謝月洪，通訊作者為西安交通大學化學學院熊禮龍副教授。論文的表征及測試得到了西安交通大學分析測試共享中心的支持。
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