AFM：增强柔性铝-空气电池性能的普鲁士蓝双功能界面膜

第一作者：魏满晖

通讯作者：王克亮*

单位：北京理工大学

近日，来自北京理工大学的王克亮副教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“A Prussian-Blue Bifunctional Interface Membrane for Enhanced Flexible Al–Air Batteries”的文章。

在这篇文章中，作者们创新性地提出了一种自调制的普鲁士蓝（PB）双功能界面膜，并将其加载在聚丙烯酸水凝胶（PAA）基铝-空气电池的铝阳极表面。在PB膜的覆盖下，阳极自腐蚀被抑制，而Al表面由于Fe³⁺加速电子转移而被激活，由于[FeⅡ(CN)₆]^4-而促进Al³⁺扩散。最终，展示的电池容量为2377.43 mAh·g^-1，阳极效率为79.78%，峰值功率密度为65.76 mW·cm^-2，能量密度增长率为138.09%。通过析氢实验验证了PB质量负载对铝自腐蚀的抑制规律，借助材料表征探讨了电池放电前后膜和阳极表面沉积物的特性，利用电化学测量揭示了不同质量负载下PB膜的界面电子输运特征，并基于密度泛函理论计算揭示了膜分子与Al原子相互作用的机理。最后，对该电池进行了循环放电，以展示其实际应用。本研究从实验和理论两方面对自调制PB界面膜的特性和功能进行了探索和验证，拓宽了柔性铝-空气电池中铝阳极防腐&活化技术的研究路径。

图1. PB双功能界面膜的制备，及缓蚀&活化铝阳极的原理。

当铝阳极上负载12 mg·cm^-2 PB界面膜时，电池容量达到2377.43 mAh·g^-1，阳极效率达到79.78%（在10 mA·cm^-2时）。此外，该电池的最高能量密度约为3176.39 Wh·kg^-1，增长率高达138.09%。而且，该电池峰值功率密度为65.76 mW·cm^-2。

要点二：柔性铝-空气电池PB@Al阳极界面特性

柔性铝-空气电池PB@Al阳极界面的电化学和材料性质表明，PB界面膜的最佳质量负荷为12 mg·cm^-2时，可在不过度钝化阳极氧化的情况下实现防腐。

图3. 柔性铝-空气电池放电前后的电化学性能评估

图4. 不同PB@Al阳极的材料表征

要点三：PB分子与Al金属原子相互作用

PB膜中的Fe³⁺会吸附在阳极表面，并不断对Al原子进行亲电攻击。由于Fe³⁺中存在大量空轨道，Al阳极的电子被迫更快地向外电路转移。此外，在静电作用下，Al³⁺将通过膜内的离子传输通道被迫与[FeⅡ(CN)₆]^4-结合。在受迫扩散后，Al³⁺会被电解液中的OH^-吸引并掠夺。与纯Al阳极的自然扩散相比，明显提高了Al³⁺的移动速度。结果，电子转移和离子输运的速度加快，铝表面得以被激活。

图5. PB膜与Al金属表面相互作用的量子化学计算

要点四：负载PB界面膜的柔性铝-空气电池的实际运行

通过对比使用纯Al和PB@Al-12阳极的柔性铝-空气电池的关键性能，作者们发现使用12 mg·cm^-2 PB双功能界面膜修饰铝阳极后，其性能参数平均提高了101.09%，最高提高了138.09%（能量密度）。

图6. 使用不同PB@Al阳极的柔性铝-空气电池实际运行展示

王克亮简介：北京理工大学长聘副教授/特别研究员，博士生导师，主要从事金属-空气电池领域的研究。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室客座研究员，国际知名期刊审稿专家，国家自然科学基金、香港基金、北京自然科学基金项目评审专家。主持完成清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金、国家自然科学基金、创新特区等项目。以通讯作者在Advanced Energy Materials、Energy Storage Materials、Advanced Functional Materials、Cell Reports Physical Science、iScience、Chemical Engineering Journal、Applied Energy、Journal of Materials Chemistry A、ACS Applied Materials & Interfaces、Nano Research等高水平期刊上发表SCI论文五十余篇。

魏满晖，北京理工大学博士研究生，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）联合培养博士研究生。主要从事金属-空气电池、质子交换膜燃料电池及直接硼氢化物燃料电池的电极、电解质材料设计与开发。以第一作者身份在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、iScience、Applied Energy、Energy Conversion and Management等期刊上发表论文9篇。

欢迎浏览课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/Wang_keliang

A Prussian-Blue Bifunctional Interface Membrane for Enhanced Flexible Al–Air Batteries

投稿请联系contact@scimaterials.cn