刘静/王磊AM：柔性固态铝电池实现39000次循环，剪切、燃烧后仍可稳定供电

【研究背景】

锂离子电池虽已广泛应用，但资源有限和安全风险推动了钠、铝、锌等新型电池的发展。铝具有储量丰富、成本低、安全性高等优势，理论体积比容量和质量比容量分别达8040 mAh cm⁻³和2980 mAh g⁻¹，因此可充电铝电池受到广泛关注。然而，铝箔负极仍面临枝晶生长、电化学腐蚀和电极碎裂等问题，尤其在高电流密度下，离子分布不均会加剧非均匀沉积并缩短循环寿命。现有多孔结构、人工界面层、亲铝基底及电解液优化等策略虽能改善性能，但普遍存在工艺复杂、界面黏附不足、需预沉积及成本较高等缺点。因此，开发制备简便、耐腐蚀且可在高电流密度下抑制枝晶的高性能铝负极仍十分迫切。镓基液态金属兼具导电性、流动性和自修复能力，可促进离子与电子传输，缓解枝晶生长、界面接触不良及副反应，从而提升电池界面稳定性。其应用主要包括固体骨架限域和电极表面涂覆，但前者制备复杂，后者对附着性与结构兼容性要求较高。由于镓基液态金属易沿铝晶界渗透并削弱铝基体，现有研究多采用液态镓、Ga-In-Sn包覆铝棒或EGaIn修饰钼箔等方式，其在柔性固态铝电池中的实用化仍具挑战。

【研究工作】

近日，中国科学院理化技术研究所刘静研究员团队与北京林业大学王磊教授团队，通过将微米级铝粉与镓铟液态金属（EGaIn）物理混合并涂覆于柔性钛网，创新构筑了铝颗粒半嵌入液态金属的Al-LM-Ti复合负极。该结构利用EGaIn的流动性动态平整化电极界面，阻碍铝枝晶向外生长，并隔绝电解质腐蚀及电极粉化。同时，Al-LM-Ti复合负极中的Al（111）优选取向与沉积铝晶面匹配，结合EGaIn对AlCl₄⁻和Al₂Cl₇⁻活性离子的高亲和力，实现均匀铝沉积并显著加快界面离子传输。基于该负极构筑的对称电池在1、2和3 mA cm⁻²下分别稳定循环超过2200、3000和1600小时；Al20-LM-Ti/GPE-90/石墨柔性固态软包电池在1.5 A g⁻¹下实现39000次超长循环。在弯折、重击、切割、空气暴露、宽温运行甚至燃烧等极端条件下，电池仍可保持正常工作，展现出优异的安全性、柔性和实际应用潜力。该文章以“Liquid Metal Composites Enabled High-Safety Flexible Solid-State Aluminum Batteries”为题发表于国际期刊《Advanced Materials》。文章第一作者为理化所博士生陶艺月，通讯作者为理化所刘静研究员和北林王磊副教授。

【核心内容】

本研究设计了一种多功能Al-LM-Ti复合负极，通过界面工程同时抑制铝枝晶、减缓电解质腐蚀并提升界面反应动力学（图1a）。液态金属EGaIn的流动性可动态平整电极表面，抑制铝沉积向外生长；微米铝颗粒与沉积铝具有相匹配的优选晶面，可减少晶格失配缺陷，促进均匀致密沉积。半嵌入式结构还能保护铝颗粒免受腐蚀与粉化（图1b）。EGaIn对AlCl₄⁻和Al₂Cl₇⁻具有较强吸附能力，可促进离子均匀分布和快速迁移。柔性钛网、液态金属和铝颗粒协同赋予电极良好柔性，使软包电池在1.5 A g⁻¹下稳定循环39000次（图1c）。

图1. 用于界面工程的柔性Al-LM-Ti复合电极示意图及性能对比。a，Al-LM-Ti复合电极/GPE界面相较于传统铝箔电极/GPE界面的优化策略示意。b，柔性Al-LM-Ti电极及其组成部分展示。c，本工作与已报道的采用负极改性和凝胶聚合物电解质（GPE）的铝-石墨电池性能对比。

Al-LM-Ti复合阳极与GPE的制备与表征

图2展示了Al-LM-Ti电极与凝胶聚合物电解质（GPE）的制备和表征。将EGaIn与微米铝粉混合后涂覆于钛网，并选用含20 wt.%铝粉的浆料制备Al₂₀-LM-Ti电极。该电极厚约158 μm，表面较平整，Al、Ga和In分布均匀。XRD/XPS表明，Ti与Ga-In间的界面电荷转移和化学作用增强了浆料附着。综合离子电导、力学性能和弯曲测试，最终选用厚约0.48 mm的GPE-90，其在离子传输、机械强度和柔性之间实现了最佳平衡。

图2. Al-LM-Ti负极与凝胶聚合物电解质（GPE）的制备及表征。a，软包电池的内部结构以及负极和GPE的制备过程。b–e，Al₂₀-LM-Ti电极的表面SEM图像及EDS能谱（b）、截面SEM图像（c）、激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）图像（d）和低温条件下的XRD谱图（e）。f–i，Al₂₀-LM-Ti电极表面不同元素的XPS谱图。j，离子液体（IL）及含不同比例IL的GPE的拉曼光谱。k、l，IL含量分别为80 wt.%和90 wt.%的GPE的离子电导率（k）和拉伸性能（l）。m，IL含量为90 wt.%的GPE表面SEM图像。

Al-LM-Ti复合负极的枝晶抑制与界面反应动力学增强机制

在Al₂₀-LM-Ti电极中，EGaIn不仅作为主要结构组分，还兼具保护和界面活化作用。其与铝粉形成的金属浆料可缓解传统铝箔的腐蚀与枝晶问题，同时增加活性位点并加快界面反应。循环100次后，铝箔表面出现腐蚀坑、粗糙沉积和枝晶，而Al20-LM-Ti仍保持平整，沉积铝呈球状（图3a）。XRD表明，该电极具有明显的Al（111）优选取向，与后续沉积铝的晶面匹配，可减少晶格失配和异质成核（图3d，e）。DFT计算进一步显示，EGaIn对AlCl₄⁻和Al₂Cl₇⁻具有更强吸附能力，同时与其保持适度电子耦合，有利于离子富集、快速转化及可逆沉积（图3f，g）。由此，EGaIn的流动性、晶面匹配和离子调控协同促进了均匀、致密且稳定的铝沉积（图3h）。

图3. Al₂₀-LM-Ti电极诱导的均匀铝沉积及界面反应动力学增强。a、b，在面容量为0.5 mAh cm⁻²、电流密度分别为0.1、0.5和1.0 mA cm⁻²的条件下循环100次后，铝箔电极和Al₂₀-LM-Ti电极的SEM图像（a）及截面光学显微图像（b）。c、d，在电流密度为0.5 mA cm⁻²、面容量为6 mAh cm⁻²的条件下沉积铝后，GPE表面的SEM图像（c）和XRD图谱（d）。e，室温下铝箔电极和Al₂₀-LM-Ti电极的XRD图谱。f，AlCl₄⁻和Al₂Cl₇⁻离子在Al（111）及EGaIn（111）表面的吸附能。g，AlCl₄⁻离子在Al（111）和EGaIn（111）表面的差分电荷密度分析。h，铝箔与Al₂₀-LM-Ti复合电极表面的铝沉积机制示意。

Al₂₀-LM-Ti复合负极的优异电化学性能

Al₂₀-LM-Ti负极显著改善了铝沉积/剥离动力学与循环稳定性。其交换电流密度达0.22 mA cm⁻²，约为铝箔的50倍（图4a）；电荷转移电阻由2899 Ω降至17.7 Ω（图4c），平均库仑效率提升至96.61%，初始沉积过电位仅22.2 mV（图4e），显著促进铝的可逆沉积/剥离。对称电池在2和3 mA cm⁻²下分别稳定运行3000和1600 h（图4h，i）。循环后电极表面仍均匀平整（图4j），表明其可促进均匀铝沉积、抑制腐蚀与枝晶，并稳定电极/电解质界面。

图4. 采用Al₂₀-LM-Ti负极的非对称电池和对称电池的电化学性能。a，铝箔负极和Al₂₀-LM-Ti负极在对称电池体系中、以5 mV s⁻¹扫描速率测得的Tafel曲线。b，Al/GPE-90/Al和Al₂₀-LM-Ti/GPE-90/Al₂₀-LM-Ti对称电池在5 mV s⁻¹扫描速率下的CV曲线。c，两种对称电池的Nyquist图及拟合等效电路，插图为Al₂₀-LM-Ti对称电池的电荷转移电阻（R_ct）。d，Al₂₀-LM-Ti/GPE-90/Al₂₀-LM-Ti对称电池在不同温度下的Nyquist图，插图为相应的Arrhenius曲线。e，Al/GPE-90/Mo和Al₂₀-LM-Ti/GPE-90/Mo半电池的改进Aurbach库仑效率测试，插图为两种半电池的初始铝沉积过电位。f，在固定面容量0.5 mAh cm⁻²、电流密度0.1–1 mA cm⁻²下，两种对称电池的倍率性能。g，两种对称电池首次充放电循环中的成核过电位。h、i，两种对称电池在2 mA cm⁻²、0.5 mAh cm⁻²（h）以及3 mA cm⁻²、0.5 mAh cm⁻²（i）条件下的长期恒流充放电（GCD）曲线。j，循环后铝箔电极和Al₂₀-LM-Ti电极的激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）图像。k，Al₂₀-LM-Ti负极与已报道GPE体系铝负极的性能对比。

采用Al₂₀-LM-Ti负极的全电池综合电化学性能

Al₂₀-LM-Ti负极凭借无枝晶、耐腐蚀和界面稳定性，与石墨正极及GPE-90组装成柔性固态软包电池。循环伏安表明，AlCl₄⁻可在石墨层间可逆嵌入/脱出，EGaIn也参与初始氧化还原（图5a）。动力学分析显示，其电荷转移电阻仅10.6 Ω，远低于铝箔电池的331.9 Ω（图5e），Warburg系数由178.79降至8.02 Ω s^−1/2，说明界面反应和离子扩散加快。电流密度由0.3升至1.5 A g⁻¹时，比容量仍达50.6 mAh g⁻¹（图5i），并在0.5 A g⁻¹下稳定循环4500次；在1.5 A g⁻¹下，初始容量为56.8 mAh g⁻¹，39000次循环后增至71.8 mAh g⁻¹，库仑效率接近100%（图5k）。循环后负极无明显枝晶，并仍保持Al（111）优先取向，石墨结构和界面化学稳定，展现出优异倍率性能、超长寿命及柔性固态运行能力。

图5. Al₂₀-LM-Ti/GPE-90/石墨全电池的电化学性能。a，Al₂₀-LM-Ti/GPE-90/石墨全电池在0.1 mV s⁻¹扫描速率下的CV曲线。b，Al₂₀-LM-Ti/GPE-90/石墨全电池充电和放电后，Al₂₀-LM-Ti负极表面Ga和In元素的XPS谱图。c，Al₂₀-LM-Ti全电池在0.1–1.0 mV s⁻¹不同扫描速率下的CV曲线。d，Al₂₀-LM-Ti全电池中电容贡献随扫描速率的变化。e，Al/GPE-90/石墨与Al₂₀-LM-Ti/GPE-90/石墨全电池的Nyquist图及其R_ct对比。f、g，两种全电池的原位弛豫时间分布（DRT）分析。h，基于DRT分析获得的两种全电池中R_ct和界面电阻（R_f）随电压的变化。i、j，两种全电池在0.3–1.5 A g⁻¹电流密度下的倍率性能（0.1–2.38 V充放电曲线），以及不同倍率下相应的电压极化。k，两种全电池在1.5 A g⁻¹电流密度下的长期循环性能对比。

Al₂₀-LM-Ti/GPE-90/石墨软包电池机械柔性、耐滥用性及宽温运行性能的综合评估

Al₂₀-LM-Ti/GPE-90/石墨软包电池具有优异的机械柔性、耐滥用性和宽温适应性。在0°–180°弯折过程中，阻抗和充放电性能基本稳定，连续弯折后容量约1.74 mAh（图6a-d）。经折叠、剪切、燃烧和冲击后，电池仍可驱动风扇（图6e）；剪切后稳定循环超过4000 min且无电解液泄漏（图6f）。电池在−20至60 ℃均能运行：−20 ℃时容量约38 mAh g⁻¹、库仑效率接近100%；60 ℃时容量达124.3 mAh g⁻¹，70次循环后仍为113.2 mAh g⁻¹（图6g）。

图6. Al₂₀-LM-Ti/GPE-90/石墨软包电池的实际应用演示。a，用于弯曲软包电池的圆盘弯曲模型示意，并标注具体弯曲角度。b，软包电池在不同弯曲角度（0°–180°）下的Nyquist图，插图为各角度对应的欧姆电阻（R_ohm）。c，软包电池在不同弯曲角度下的充放电循环性能，插图为电池在相应弯曲状态下的照片。d，软包电池的放电容量和库仑效率随循环次数及弯曲角度的变化。e，Al₂₀-LM-Ti/GPE-90/石墨软包电池在不同条件下均可稳定驱动风扇。f，软包电池经剪切并暴露于环境空气后仍可持续运行超过4000 min，且未发生失效。g，软包电池在0.1 A g⁻¹电流密度下的变温充放电循环性能。

【总结】

基于离子液体电解质的可充电铝电池常因铝负极结构不稳定而使循环寿命受限。本研究提出一种制备简单、成本低且多功能的Al₂₀-LM-Ti复合负极。其微米铝颗粒与后续沉积铝具有一致的优选晶向，可减少晶格失配引起的高活性缺陷和“尖端效应”；铝颗粒半嵌入液态金属的结构能够避免电解液腐蚀导致的铝箔粉化。同时，该电极对活性Al_xCl_y⁻离子具有较强吸附能力，可加快界面离子传输与扩散。Al₂₀-LM-Ti对称电池在0.5 mA cm⁻²下稳定运行超过3800 h，并在1、2和3 mA cm⁻²下分别循环2200、3000和1600 h。其全电池在1.5 A g⁻¹下实现39000次循环，软包电池在弯折、燃烧、冲击及宽温条件下仍能稳定工作，为高安全、长寿命铝基储能系统提供了新策略。

【文献详情】

Yiyue Tao, Chen Hua, Nan Li, Yan Wang, Zhaosen Yuan, Yibing Ma, Tangzhen Guan, Yijiang Chen, Huili Zhang, Cai Cheng, Minghui Guo, Lei Wang*, Jing Liu*. Liquid Metal Composites Enabled High-Safety Flexible Solid-State Aluminum Batteries. Advanced Materials (2026): e74076. https://doi.org/10.1002/adma.74076

【通讯作者】

陶艺月，2023年毕业于重庆大学能源与动力工程专业，获工学学士学位，现为中国科学院理化技术研究所博士研究生，师从刘静研究员。主要从事液态金属在储能领域的基础与应用研究，已以第一作者在Advanced Materials和Energy Storage Materials期刊发表论文2篇。

刘静，博士，中国科学院理化技术研究所研究员。长期从事液态金属、工程热物理与生物医学工程等研究。发现液态金属诸多全新科学现象与基础效应，开辟液态金属芯片冷却、液态金属印刷电子/半导体、液态金属生物材料学以及液态金属柔性机器学新方向，研发的众多液态金属前沿技术、大型肿瘤治疗装备-康博刀系统及无线移动医学仪器等得到国内外广泛应用，两次入选中科院科技成果在京转化先进团队特等奖。系2003国家杰出青年科学基金获得者，曾获国际传热界威廉·伯格奖、首届全国创新争先奖、北京市科学技术奖技术发明奖一等奖、两院院士评选中国十大科技进展及CCTV年度十大科技创新人物等奖励和荣誉。

王磊，博士，北京林业大学材料科学与技术学院副教授，主要研究液态金属传感器及电池材料。2015年博士毕业于北京航空航天大学材料物理与化学专业，2015-2023年在中科院理化所历任博士后、助理研究员、副研究员，2023年调入北京林业大学材料科学与技术学院。以第一和通讯作者发表SCI论文80余篇，其中包括Advanced Materials, Nature Communications, Advanced Functional Materials, Small, Rare Metals, Research等材料期刊；授权发明专利30余项；主持纵向、横向课题7项。社会兼职：河北省粘结与涂料协会理事、专家组成员。

文章来源：能源学人