大連理工大學(xué)運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部航空航天學(xué)院與美國內(nèi)布拉斯加州立大學(xué)林肯分校（University of Nebraska Lincoln）近期在《Nature Communications》合作發(fā)表題為“Ultra-fast charging in aluminum-ion batteries: electric double layers on active anode”的研究論文，報(bào)道了以液態(tài)金屬合金作為陽極的鋁離子電池展現(xiàn)的優(yōu)異快充性能，及雙電層在促進(jìn)高速率電荷轉(zhuǎn)移方面的新作用。文章第一作者為航空航天學(xué)院申薛靖博士和孫濤副研究員，通訊作者為航空航天學(xué)院武湛君教授和內(nèi)布拉斯加州立大學(xué)林肯分校譚力副教授。
隨著科技的不斷發(fā)展，單一的結(jié)構(gòu)材料或功能材料已無法滿足其在民用、航空航天、軍事領(lǐng)域等的應(yīng)用需求。一種材料承擔(dān)多種功能，對于實(shí)現(xiàn)航空航天器等的小型化、輕量化、高性能等意義重大。發(fā)展結(jié)構(gòu)-儲能一體化復(fù)合材料成為備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)和國際前沿。在依靠可逆氧化還原反應(yīng)的儲能體系中，鋁離子電池具有成本低、不易燃燒和理論容量大等顯著優(yōu)點(diǎn)，且穩(wěn)定的鋁電極-電解質(zhì)界面避免了鋰金屬或鋰離子系統(tǒng)中常見的界面復(fù)雜性，從而可實(shí)現(xiàn)達(dá)數(shù)萬次的可逆充放電循環(huán)。鋁離子電池的優(yōu)越性為開發(fā)穩(wěn)定的新型結(jié)構(gòu)-儲能一體化復(fù)合材料提供可靠途徑。
鋁離子電池以穩(wěn)定的性能和可快速充電能力聞名，使充電時(shí)間從數(shù)小時(shí)減少到數(shù)分鐘成為現(xiàn)實(shí)。能否進(jìn)一步將充電時(shí)間從幾分鐘縮短到幾秒，同時(shí)保持大部分電池容量？目前，研究者們致力于獲得更高的比容量，合成新的碳電極來促進(jìn)吸附，或?qū)ふ医?jīng)濟(jì)性更好的有機(jī)電解質(zhì)，而電解液和電極界面間電荷轉(zhuǎn)移的內(nèi)在關(guān)系卻很少被關(guān)注。如果消除電荷轉(zhuǎn)移的局限性，這將打破超級電容器和電池之間的界限，使設(shè)備兼具高容量和高速率等優(yōu)點(diǎn)，這也將進(jìn)一步促進(jìn)對電極界面雙電層結(jié)構(gòu)理解的深入。
武湛君教授團(tuán)隊(duì)在研究中發(fā)現(xiàn)，鋁電極和有機(jī)電解質(zhì)界面間的電荷轉(zhuǎn)移可以被有效加速，鋁單質(zhì)沉積的位置不再局限于金屬表面缺陷。在論文中，該團(tuán)隊(duì)報(bào)道了可充電鋁離子電池比容量可高達(dá)200 mAh/g，接近石墨烯電極極限容量；且當(dāng)進(jìn)一步利用液態(tài)金屬合金降低陽極能壘后，快速充電速率可達(dá)10000 C（0.3秒達(dá)到滿容量），為目前報(bào)道過最快充電速度。更重要的是，電荷轉(zhuǎn)移速度的提升使更多雙電層中間產(chǎn)物得以發(fā)現(xiàn)，為更好的理解雙電層在可充電電池中的作用提供途徑。該研究更是為結(jié)構(gòu)-儲能一體化復(fù)合材料的進(jìn)一步探索奠定了堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
以上工作得到了高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（ DUT19ZD101 ）等的大力支持。
來源：大連理工大學(xué)
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