钠金属电池

3.0 2025-04-06 17 4 2.34MB 31 页 10龙币

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面对气候变化和能源危机的威胁，电网规模的储能系统（ESS）被认

为是促进市场上可持续能源供应的重要基石。尽管锂离子电池

（LIBs）在当前 ESS 市场的电化学领域占主导地位，但锂资源的稀缺

性和高成本大大限制了其运用，尤其是考虑到电动汽车领域的高需求。

该领域必须确定有前途的 LIBs 替代品。因铝成本低、空气暴露安全、

含量高（在地壳中占 8.1 wt%），而且铝金属阳极具有相当高的理论

容量（8040 mAh cm-3），这大大有助于开发高容量可充电铝电池

（RABs），RABs 已成为一个有前途的候选者。然而，可行的 RABs

的发展面临着严峻的挑战，包括有限的电荷存储容量，不良的反应动

力学或非常短的循环寿命。

成果简介：

该工作报告了一类高容量氧化还原偶，它们具有溶液-固体转化化学性

质，具有良好的溶解度，作为正极-通过使用熔盐电解质独特地实现-赋

予RABs 快速充电能力和长寿命。与传统的固-固转换反应不同，这种

溶液-固体反应具有内在的快速动力学和结构自我修复特性。这种正极

在可溶性 InCl（In+）和不溶性 InCl3（In3+）之间通过两个电子转

移过程遵循高度可逆的氧化还原偶机制（图 1）。溶液相 InCl 的具有

双重作用，快速的溶液相氧化不仅使其具有超快的充电能力，而它在

每次放电过程中的重整则赋予了结构自愈和高容量的保持。值得注意

的是，可溶性相不是氧化的产物，通过它可以防止与负极的交叉反应。

在这项工作中使用的无机氯铝酸盐熔盐电解质不仅允许铝电池在适度

升高的温度（130-150℃）下运行。相关工作以“A solution-to-

solid conversion chemistry enables ultrafast-charging

and long-lived molten salt aluminium batteries”为题发

表在 Nature Communications 期刊上。

关键创新：

（1）正极在可溶性 InCl（In+）和不溶性 InCl3（In3+）之间通过两

个电子转移过程遵循高度可逆的氧化还原偶机制。

（2）溶液相 InCl 的具有双重作用，快速的溶液相氧化不仅使其具有

超快的充电能力，而它在每次放电过程中的重整则赋予了结构自愈和

高容量的保持。

核心内容解读：

图

溶液

固体铟转换化学和可充电铝电池的示意图。

@ The

Authors

图

（

）铟箔在

190℃

的氯铝酸盐熔体中处理前后的

XRD

图。

（

）三电极电池的示意图。（

）三电极电池在不同操作温度下的

图。（

）通过电感耦合等离子体光发射光谱法测量的氯铝酸盐熔

体中铟元素的浓度。（

）在自制的

Swagelok

电池中，在两个隔板

之间配置了一个铟箔的

Al|Mo/In

电池的示意图。（

）

Al|Mo/In

电

池在不同操作温度下的电压曲线。

@ The Authors

由于 AlnCl3n+1 分子内独特的共价键，AlCl3-NaCl-KCl 的共晶混合

物表现出约 95℃的低熔点。它还提供了在中等温度下的快速反应动力

学，不像液态金属或钠硫电池那样通常需要 250-600℃。首先研究了

以铟为基础的溶液到固体的化学反应，使用一个以 InCl 饱和电解液作

为活性正极材料来源的模型配置。金属铟自发地还原氯铝酸盐，生成

高度溶于氯铝酸盐熔体的一价 In+（并形成金属铝）（In+/In 氧化还

原电位比 Al3+/Al 低）。为了验证通过在氯铝酸盐熔体中的铟箔表面

生成金属铝，通过 X射线衍射（图 2a）和扫描电子显微镜（图 2b）

进行检测表征。为了了解铟在氯铝酸盐熔体电解液中的电化学性质，

作者制作了一个三电极烧杯式电池（图 2b），用铝作为对电极和参比

电极，钼作为工作电极，铟箔浸入氯铝酸盐熔体中提供 InCl。在

110℃下的循环伏安法（CV）测量（图 2c）显示了一个在 1.15V 的

尖锐负极峰和一个在 0.68V 的大的正极峰，表明是不对称反应。值得

注意的是，温度对电池的过电位和铟在氯铝酸盐熔体中的溶解度有很

大影响，这一点从温度变化的 CV（图 2c）和电感耦合等离子体光发

射光谱（铟：110℃时为1.24 wt%，190℃时为5.05 wt%）（图

2d）可以看出。同时，通过自制 Swagelok 结构的 Al|Mo 电池进一步

证明了这种化学反应的可逆性(图2e)。在两个玻璃纤维分离器之间夹

上一层铟箔来供应 InCl(电池用 Al|Mo/In 表示)。理论上，Al / Mo/In

电池的温度应该落在金属铟的熔点(~156℃)和氯铝酸盐熔点(~95℃)

之间。在 110°C、130°C 和150°C 的不同温度下，以 0.5 mA

cm−2 的电流密度进行了三次不同的尝试。Al|Mo/In 电池的过电位分

别为0.16、0.10 和0.04 V, CE 值高达95%以上(图2f)。

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摘要：

面对气候变化和能源危机的威胁，电网规模的储能系统（ESS）被认为是促进市场上可持续能源供应的重要基石。尽管锂离子电池（LIBs）在当前ESS市场的电化学领域占主导地位，但锂资源的稀缺性和高成本大大限制了其运用，尤其是考虑到电动汽车领域的高需求。该领域必须确定有前途的LIBs替代品。因铝成本低、空气暴露安全、含量高（在地壳中占8.1wt%），而且铝金属阳极具有相当高的理论容量（8040mAhcm-3），这大大有助于开发高容量可充电铝电池（RABs），RABs已成为一个有前途的候选者。然而，可行的RABs的发展面临着严峻的挑战，包括有限的电荷存储容量，不良的反应动力学或非常短的循环寿命。成果简介：...

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