焦树强教授、王伟教授、王哲副教授，NC观点：构建双反应区实现电子转移最大化助力长寿命半固态铝离子电池

第一作者：余智静

通讯作者：王伟*，王哲*，焦树强*

单位：北京科技大学，北京理工大学

可充电铝离子电池(AIBs)因其原材料资源丰富、安全性高而被认为是下一代大规模储能系统最有前途的候选之一。其中，正极和电解质材料的研究与开发一直是提高铝电池性能的关键核心所在。然而，强路易斯酸性的氯铝酸盐电解质使得铝离子电池很难同时具备高比能与长循环性能，尤其是对于具有高容量优势的转化型正极材料，它们往往受到严重的穿梭效应影响，导致电池循环寿命短。

近日，来自北京科技大学的焦树强教授、王伟教授和王哲副教授团队，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Construction of double reaction zones for long-life quasi-solid aluminum-ion batteries by realizing maximum electron transfer”的研究文章。该研究文章报道了一种新型的具有双反应区的半固态铝离子电池结构，有效抑制转化型材料穿梭效应，提升电池稳定性，发挥高容量正极材料储能优势。第一作者为北京科技大学博士后余智静。

在第一个反应区中引入凝胶电解质提升半固态体系动力学，第二个反应区采用功能性碳吸附材料复合凝胶层“封锁”溶出物质并提供足够的离子和电子传递通道，支撑溶出活性物质的进一步电化学反应，从而解决高比容量转化型正极的“穿梭”效应，提升其循环性能。通过DFT理论计算辅助设计双反应区构建方案，物理化学及电化学手段表征双反应区结构及其离子-电子传输特性，证实了该半固态结构中的有效离子传输。

电化学测试结果表明，基于双反应区的分层结构半固态铝电池表现出良好的可逆性和循环稳定性。在2 A g⁻¹的电流密度下，基于碲化镍正极的半固态铝离子电池可实现近4000圈循环，剩余容量达~400 mAh g⁻¹。且基于双反应区的半固态铝电池在任何充电状态下的自放电都远小于常规凝胶半固态铝电池，表明所构建的半固态双反应区可以固定溶解的活性材料，以抑制其在氯铝酸盐电解质中的穿梭效应，从而保持电池的工作稳定性。

通过非原位 X 射线纳米计算机断层扫描（CT）技术，重建半固态电池内部结构，明晰双反应区的构建形成电池内部稳定紧密界面，有效加速阴离子传输动力学，从而降低电化学反应阻抗。

在强酸性的氯铝酸盐电解质中活性材料溶解并随浓度场和电场穿梭到负极侧累积还原，造成活性物质的永久损失，无法完全参与充放电阶段的电子转移过程，因此容量衰减迅速，循环性能差。基于半固态电解质体系构建双反应区后，反应区2成功捕获了从反应区1中溶解出的活性物质，抑制了其穿梭效应，从而固定的活性物质进一步继续未完成的氧化还原反应，提高了电池容量及其循环稳定性。

这种特殊的半固态双反应区结构不仅可以抑制溶解活性物质的穿梭效应，还可以通过加速反应区1中活性物质的反应动力学，以及使溶解到反应区2的活性物质继续进行电化学反应，来实现正极材料的最大电子转移。这项工作为抑制转化型正极材料在循环过程中的穿梭效应，从而实现高容量、长寿命的铝离子电池提供了可能。

Construction of double reaction zones for long-life quasi-solid aluminum-ion batteries by realizing maximum electron transfer

焦树强教授简介：北京科技大学副校长，国家杰出青年科学基金获得者、“万人计划”科技创新领军人才、英国皇家化学会会士。长期从冶金材料电化学领域的研究工作，在钛的电化学提取提纯、铝离子二次电池、碳素资源增值利用等领域有着较为丰富的研究积累；主持各类项目20余项，获授权国内外发明专利40余件，以第一完成人获省部级科技奖励2项，获第十五届中国青年科技奖。近年来在Nat. Commun., Sci Adv, Angew Chem, Adv Mater等国内外公开学术刊物发表学术论文300余篇；申请国内外发明专利50余件，获授权美国发明专利2件、英国发明专利1件。兼任中国稀土学会火法冶金专业委员会副主任、中国金属学会熔盐化学与技术分会副主任、中国有色金属学会冶金物理化学分会副主任、中国轻量化材料成形与装备产业技术创新联盟理事、《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》期刊副主编等。

王伟 教授简介：现为北京科技大学教授，2016年1月在北京科技大学获得博士学位，英国剑桥大学联合培养博士，随后在北京大学和美国哈佛大学做博士后研究。2019年评为北京航空航天大学教授，博士生导师，北京航空航天大学青年拔尖人才，2021年入职北京科技大学。入选北京市科技新星，小米青年学者，河北省产业创新创业团队负责人，第三届发明创业奖成果奖一等奖。担任美国物理联合会APL Materials、IJMMM、Electronics客座编辑，《有色设备》编委、Tungsten青年编委等。长期从事能源存储与转换和低碳冶金电化学等方向研究，是较早系统开展铝离子电池和钠/钾离子电池方向的研究者之一。迄今以第一/通讯作者身份在Nat. Commun., Adv. Mater.， Energy Environ. Sci.，Adv. Energy Mater.等发表SCI论文70余篇，授权中国发明专利18项，被引用超过10000次。

王哲 副教授简介：2015年在澳大利亚伍伦贡大学材料工程学院获博士学位，2015年4月至2016年3月在伍伦贡大学从事博士后工作，2016年6月回国入职北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室。主要研究方向为超重力高温冶金，超重力技术在金属材料回收、提纯及制备领域的应用研究，以及冶金二次资源循环利用。在Nat. Commun., Metall. Mater. Trans. B、ISIJ Int.、Appl. Energy、J. Clean. Prod.等刊物发表SCI检索论文20余篇；申请发明专利3项。

余智静 博士简介：于2015年和2021年在北京科技大学分别获得学士和博士学位，并继续从事博士后研究工作，师从焦树强教授。主要研究方向为铝离子电池半固态电解质设计及高性能正极材料开发。近年来以第一作者身份在Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., ACS Nano等国内外学术期刊上发表论文7篇，授权中国发明专利2项，主持国家自然科学基金青年基金项目1项。

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