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论文赏析‖一种长寿命水性可充电铝铵混合电池的最新研究

江苏东华分析仪器有限公司

2025-08-29

导读：合成了独特的具有均匀斜角立方纳米结构的普鲁士蓝类似物K-FeHCF纳米立方体，并系统地研究了其作为容纳非金属NH₄⁺的宿主材料的电化学性能。

文章简介

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202404254

课题组：

东南大学：吴宇平，南京工业大学：付丽君&李春阳

研究亮点

合成了独特的具有均匀斜角立方纳米结构的普鲁士蓝类似物K-FeHCF纳米立方体，并系统地研究了其作为容纳非金属NH₄⁺的宿主材料的电化学性能。其能提供优异的79.8mAh g⁻¹的容量以及出色的倍率性能。此外，其能维持超过100000次循环且无容量衰减的超长循环寿命，这使得K-FeHCF成为各类嵌入型材料中最稳定的电极材料。

基于高度稳定的K-FeHCF阴极以及成本较低的金属铝阳极，提出了一种概念验证型的水系可充电铝-铵混合电池。该电池实现了1.15V的平均工作电压、优异的倍率性能以及89.3Whkg⁻¹的能量密度，且展现出超过10000次循环且无容量衰减的卓越循环稳定性。因此，该工作为设计用于电网规模储能的高性能水系铝基电池提供了新的思路。

测试方法

作者采用三电极体系测试K-FeHCF阴极的电化学性能：碳棒为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，1M氯化铵溶液作为电解质。铝-铵混合电池(AAHB)由K-FeHCF阴极、铝阳极（厚度约2mm）以及饱和氯化铝与1M氯化铵混合电解质组成。

作者使用东华分析DH7006B电化学工作站进行了循环伏安法（CV）以及电化学阻抗谱（EIS）测试。其中电化学阻抗谱(EIS)测试频率范围为100kHz至0.01Hz。三电极体系及全电池中K-FeHCF电极活性物质质量约为2.1mg，平均活性物质负载量约为5mgcm⁻²。

测试结果

K-FeHCF电极在0.3mV s⁻¹扫描速率下的前三次循环伏安（CV）曲线（图1a）显示出一对位于0.213/0.28V（vs SCE）的氧化还原峰。图1b展示了K-FeHCF在不同扫描速率下、电压范围从-0.1至1.05V的CV曲线，考虑到氧化还原峰电位的微小外移，这表明其具有卓越的倍率性能。

通过拟合A1和C1峰的log(峰值电流)与log(扫描速率)图（图1c），研究了NH₄⁺离子（脱）嵌入过程中K-FeHCF电极的反应动力学。相应的斜率分别为0.61和0.58，表明离子扩散主导了该电化学反应。图1d, 1e展示了其优秀的倍率性能和循环性能，如此优异的循环稳定性优于大多数已报道的水系嵌入型电极材料，这可能归因于与氮（N）配位的高自旋 FeIII 的超稳定氧化还原反应。

图1 K-FeHCF电极对NH4+离子的电化学性能

a) 0.3mVs^-1下的前三次CV曲线。b) 不同扫速下的CV曲线。c) A1和C1峰的Log (峰电流)对Log (扫速)曲线。d) 倍率性能。e) 3Ag^-1下的长期循环性能。f) 循环前后K-FeHCF电极的FTIR光谱。g) K-FeHCF电极在选定电压下的典型恒电流充电/放电曲线和相应的非原位XRD图谱。h) K-FeHCF电极在充电和放电状态下的非原位57Fe穆斯堡尔谱。

作者测试了电化学阻抗谱（EIS）以分析K-FeHCF的电荷转移过程（图2）。通过基于相关等效电路对EIS曲线进行拟合后，得到1.0欧姆的等效串联电阻和6.4欧姆的电荷转移电阻（Rct）。较低的Rct值表明电荷转移过程迅速，与优异的倍率性能一致。

图2 K-FeHCF电极的Nyquist图和拟合图

图3 Al//K-Fe HCF AAHB的电化学性能

a) Al//K-Fe HCF AAHB的示意图。b) 50 mA g^-1电流密度下的充放电曲线。c) 不同扫描速率下的CV曲线。d) 不同电流密度下的倍率性能。e) 1000 mA g^-1电流密度下的长期循环稳定性。f) Al//K-Fe HCF AAHB与最近报道的水系铝金属电池和Zn//PBA电池的性能比较。g,h) 10和100 h的静置实验。

作者通过在饱和AlCl₃与1MNH₄Cl混合电解液中耦合高耐久性K-FeHCF正极与铝负极，组装了一种概念验证型水系可充电铝-铵混合电池（AAHB）（图3a）。图3b展示了组装的Al//K-FeHCF AAHB在0.8-1.95V电压窗口下的典型充放电曲线。图3c展示了0.1至2.0mV s⁻¹不同扫描速率下的CV曲线。图3d, 3e展示了Al//K-FeHCF铝-铵混合电池（AAHB）优秀的倍率性能和循环性能。

图3f通过对比，显示出Al//K-FeHCF AAHB的循环稳定性远优于其他已报道的研究成果。此外，为探究副反应对AAHB性能的影响，设计了静置实验。在250mAg⁻¹电流密度下充电至1.95V后，静置10小时和100小时的容量保持率分别为98.13%和92.57%（图3g, h），表明副反应在电池储存期间影响较小，该电池具有良好的储能性能。

作者介绍

吴宇平：教授、博士生导师

新一代储能中心执行主任，英国皇家化学会会士，德国萨克森科学院通讯院士。共发表530多篇学术论文，H-指数108+；获得中国、美国、日本在内授权发明专利31项。2014年获得“国家杰出青年科学家”称号，多次入选“全球高被引科学家”之列，2015年被汤森路透从“全球高被引科学家”评为“全球最具影响力的科研精英”。担任Energy Materials（IF=11.8）的创刊主编、Energy & Enviromental Materials的副主编和其它一些刊物的编委等职务。主要从事锂离子电池及其关键材料、超级电容器、水系电池等储能方面的研究和开发工作。

付丽君：教授、博士生导师

国家优秀青年基金获得者，江苏省特聘教授。2004年和2010年在复旦大学获学士和博士学位，后在中科院上海硅酸盐研究所和德国马克斯普朗克固态所从事研究工作，2015年5月入职南京工业大学。担任Elsevier《Solid State Ionics》副编委、Elsevier《Chinese Chemical Letters》（中国化学快报）青年编委。获第五届中国大学生动力电池创新竞赛优秀导师奖、IUPAC江教授新材料青年奖、张家港市奖教金、上海市优秀博士论文等奖励。研究方向为电化学储能；锂（离子）电池；水系锌离子电池；水锂电；钠（离子）电池。

李春阳：特任副研究员

主要从事高比能钠离子电池正极材料和固态电解质材料的设计与开发。2019年在南京工业大学获得工学博士学位（导师：黄维院士和吴宇平教授）。毕业后前往阿卜杜拉国王科技大学开展博士后研究（合作导师：赖志平和黄国伟教授），2022年加入中国科学技术大学材料系余彦教授课题组从事科研工作至今。作为项目负责人，主持国家自然科学基金委青年科学基金（C类）和中国科学技术大学青年创新基金项目。

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