Advanced Science：通过LaCl3调控界面反应增强水系铝金属电池的循环稳定性

第一作者：高衍深

通讯作者：刘显杰*，贾然* 陈学成*

单位：瑞典林雪平大学，吉林大学，波兰西波美拉尼亚技术大学

铝金属凭借储量丰富、理论比容量高、成本低廉等显著优势，成为新一代储能电池的理想负极材料。传统铝离子电池多采用离子液体电解液，虽能实现铝离子稳定沉积/剥离，但高昂的成本和潜在环境毒性等问题严重限制其研究应用前景。水系电解液因安全性高、离子传导快、成本可控等特点备受青睐，然而传统水系体系常用的氯化铝(AlCl₃)电解液腐蚀性极强，导致当前研究多转向更为温和的三氟甲磺酸铝体（Al(OTF)₃）系，却又陷入“温和性与低成本不可兼得”的困境。为破解这一难题，本研究回归低成本AlCl₃电解液体系，通过引入氯化镧(LaCl₃)添加剂调控电解液溶剂化结构与电极界面特性，在抑制AlCl₃腐蚀性的同时保障电池性能，为低成本、高性能水系铝金属电池的设计研究提供全新思路。

近日，波兰西波美拉尼亚技术大学陈学成教授团队在国际期刊《Advanced Science》上发表题为“Enhancing Cycling Stability of Aqueous Aluminum-Metal Batteries via LaCl₃-Modulated Interfacial Reactions”的研究文章。该研究创新性提出在低成本AlCl₃电解液中引入LaCl₃添加剂的策略，通过调控电解液溶剂化结构与电极界面特性，成功抑制了AlCl₃的腐蚀性，同时保障了电池的循环稳定性。

LaCl₃的引入对低成本AlCl₃水系电解液的溶剂化结构产生调控作用。在纯AlCl₃电解液中，Al³⁺主要与水分子形成不稳定的溶剂化层，影响离子传输效率。而LaCl₃中的额外引入电解液体系内的卤素离子可参与电解液溶剂化层的重构过程，进一步形成Al³⁺、H₂O及Cl^-多元配位体系，改变Al³⁺的局部配位环境。这种重构后的溶剂化结构为Al³⁺在电解液中的快速迁移奠定了重要基础。

电极-电解液界面的稳定性是决定水系铝金属电池性能的关键因素，传统AlCl₃电解液因强腐蚀性易导致铝金属负极表面发生严重的不可逆腐蚀反应，而LaCl₃添加剂中的La³⁺有效的稳定了界面反应。对循环后铝金属负极的表征结果显示，添加剂有效降低了铝金属负极界面的腐蚀程度，界面从局部的破坏形态转变为较为均一的形貌。这意味着不可逆腐蚀反应的缓解和电池反应的有效进行。

基于LaCl₃对电解液溶剂化结构的优化与界面的精准调控，电池的综合电化学性能得到显著提升。电化学测试结果表明，添加LaCl₃后，以普鲁士蓝类似物(CoHCF)为正极，铝金属为负极，在250 mA g^-1的电流密度下，电池循环800圈后容量保持率74.4%，同时，电池的充放电平台更加平稳，倍率性能也得到有效改善，电池的界面反应也得到了充分的缓解。

本研究中LaCl₃提升电池性能的核心机制在于“溶剂化结构优化-界面调控”的协同作用。尤其是界面调控机制，在电池反应过程中，La³⁺会在铝金属负极表面的腐蚀活性位点形成电化学惰性的沉淀，从而诱导铝金属表面的腐蚀从剧烈集中的点腐蚀向逐渐向均一缓和的反应过渡。在二者协同作用下，电解液-电极的相容性显著改善，这既保障了Al³⁺在电极表面的稳定，又抑制了副反应的发生，最终实现了电池循环稳定性的提升。

Enhancing Cycling Stability of Aqueous Aluminum-Metal Batteries via LaCl₃-Modulated Interfacial Reactions