論文賞析‖一種長壽命水性可充電鋁銨混合電池的最新研究
發布時間：2025-09-01
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01文章簡介
論文鏈接： https://doi.org/10.1002/aenm.202404254
課題組：東南大學 吳宇平，南京工業大學 付麗君&李春陽
02研究亮點
1、合成了獨特的具有均勻斜角立方納米結構的普魯士藍類似物K-FeHCF納米立方體，并系統地研究了其作為容納非金屬NH??的宿主材料的電化學性能。其能提供優異的79.8mAh g?¹的容量以及出色的倍率性能。此外，其能維持超過100000次循環且無容量衰減的超長循環壽命，這使得K-FeHCF成為各類嵌入型材料中最穩定的電極材料。
2、基于高度穩定的K-FeHCF正極以及成本較低的金屬鋁負極，提出了一種概念驗證型的水系可充電鋁-銨混合電池。該電池實現了1.15V的平均工作電壓、優異的倍率性能以及89.3Wh kg?¹的能量密度，且展現出超過10000次循環且無容量衰減的卓越循環穩定性。該工作為設計用于電網規模儲能的高性能水系鋁基電池提供了新的思路。
03測試方法
作者采用三電極體系測試K-FeHCF正極的電化學性能：碳棒為對電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，1M氯化銨溶液作為電解質。鋁-銨混合電池(AAHB)由K-FeHCF正極、鋁負極（厚度約2mm）以及飽和氯化鋁與1 M氯化銨混合電解質組成。
作者使用東華分析DH7006B電化學工作站進行了循環伏安法（CV）以及電化學阻抗譜（EIS）測試。其中電化學阻抗譜(EIS)測試頻率范圍為100kHz 至0.01Hz。三電極體系及全電池中K-FeHCF電極活性物質質量約為2.1mg，平均活性物質負載量約為5mgcm?²。
04測試結果
K-FeHCF電極在0.3mV s?¹掃描速率下的前三次循環伏安（CV）曲線（1a）顯示出一對位于0.213/0.28 V（vs SCE）的氧化還原峰。圖2b展示了K-FeHCF在不同掃描速率下、電壓范圍從-0.1至1.05V的CV曲線，考慮到氧化還原峰電位的微小外移，這表明其具有卓越的倍率性能。
通過擬合A1和C1峰的log(峰值電流)與log(掃描速率)圖（圖1c），研究了NH??離子（脫）嵌入過程中K-FeHCF電極的反應動力學。相應的斜率分別為0.61和0.58，表明離子擴散主導了該電化學反應。圖1d, 1e展示了其優秀的倍率性能和循環性能，如此優異的循環穩定性優于大多數已報道的水系嵌入型電極材料，這可能歸因于與氮（N）配位的高自旋 FeIII 的超穩定氧化還原反應。
圖1 K-FeHCF電極對NH4+離子的電化學性能。a) 0.3 mVs-1下的前三次CV曲線。b) 不同掃速下的CV曲線。c) A1和C1峰的Log (峰電流)對Log (掃速)曲線。d) 倍率性能。e) 3Ag-1下的長期循環性能。f) 循環前后K-FeHCF電極的FTIR光譜。g) K-FeHCF電極在選定電壓下的典型恒電流充電/放電曲線和相應的非原位XRD圖譜。h) K-FeHCF電極在充電和放電狀態下的非原位57Fe穆斯堡爾譜。
作者測試了電化學阻抗譜（EIS）以分析K-FeHCF的電荷轉移過程（圖2b）。通過基于相關等效電路對EIS曲線進行擬合后，得到1.0歐姆的等效串聯電阻和6.4歐姆的電荷轉移電阻（Rct）。較低的Rct值表明電荷轉移過程迅速，與優異的倍率性能一致。
圖2 b) K-FeHCF電極的Nyquist圖和擬合圖
圖3 Al//K-Fe HCF AAHB的電化學性能。a) Al//K-Fe HCF AAHB的示意圖。b) 50mAg-1電流密度下的充放電曲線。c) 不同掃描速率下的CV曲線。d) 不同電流密度下的倍率性能。e) 1000mA g-1電流密度下的長期循環穩定性。f) Al//K-Fe HCF AAHB與最近報道的水系鋁金屬電池和Zn//PBA電池的性能比較。g, h) 10和100 h的靜置實驗。
作者通過在飽和AlCl?與1MNH?Cl混合電解液中耦合高耐久性K-FeHCF正極與鋁負極，組裝了一種概念驗證型水系可充電鋁-銨混合電池（AAHB）（圖3a）。圖3b展示了組裝的Al//K-FeHCF AAHB在0.8-1.95V電壓窗口下的典型充放電曲線。圖3c展示了0.1至2.0mV s?¹不同掃描速率下的CV曲線。圖3d, 3e展示了Al//K-FeHCF鋁-銨混合電池（AAHB）優秀的倍率性能和循環性能。
圖3f通過對比，顯示出Al//K-FeHCF AAHB的循環穩定性遠優于其他已報道的研究成果。此外，為探究副反應對AAHB性能的影響，設計了靜置實驗。在250mA g?¹電流密度下充電至1.95V后，靜置10小時和100小時的容量保持率分別為98.13%和92.57%（圖3g, h），表明副反應在電池儲存期間影響較小，該電池具有良好的儲能性能。
05作者介紹
吳宇平：教授，博士生導師
新一代儲能中心執行主任，英國皇家化學會會士，德國薩克森科學院通訊院士。共發表530多篇學術論文，H-指數108+；獲得中國、美國、日本在內授權發明專利31項。2014年獲得“國家杰出青年科學家”稱號，多次入選“全球高被引科學家”之列；2015年被湯森路透從“全球高被引科學家”評為“全球最具影響力的科研精英”。擔任Energy Materials（IF=11.8）的創刊主編、Energy & Enviromental Materials的副主編和其它一些刊物的編委等職務。主要從事鋰離子電池及其關鍵材料、超級電容器、水系電池等儲能方面的研究和開發工作。
付麗君：教授，博士生導師
國家優秀青年基金獲得者，江蘇省特聘教授。2004年和2010年在復旦大學獲學士和博士學位，后在中科院上海硅酸鹽研究所和德國馬克斯普朗克固態所從事研究工作，2015年5月入職南京工業大學。擔任Elsevier《Solid State Ionics》副編委、Elsevier《Chinese Chemical Letters》（中國化學快報）青年編委。獲第五屆中國大學生動力電池創新競賽優秀導師獎、IUPAC江教授新材料青年獎、張家港市獎教金、上海市優秀博士論文等獎勵。研究方向為電化學儲能；鋰（離子）電池；水系鋅離子電池；水鋰電；鈉（離子）電池。
李春陽：特任副研究員
主要從事高比能鈉離子電池正極材料和固態電解質材料的設計與開發。2019年在南京工業大學獲得工學博士學位（導師：黃維院士和吳宇平教授）。畢業后前往阿卜杜拉國王科技大學開展博士后研究（合作導師：賴志平和黃國偉教授），2022年加入中國科學技術大學材料系余彥教授課題組從事科研工作至今。 作為項目負責人，主持國家自然科學基金委青年科學基金（C類）和中國科學技術大學青年創新基金項目。
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