螯合驱动电解质设计增强水系铝电池的界面和电化学窗口

研究简介

水系铝离子电池因其丰富的铝资源、较高的理论比容量和优异的安全性而备受关注。然而，电解液诱导的水分解、铝负极腐蚀以及电极材料相容性等挑战持续制约着其性能的提升。本研究利用螯合剂双(2-甲氧基乙基)胺(BMEA) 重构溶剂化环境，将电化学窗口扩展至2.2V，并有效抑制析氢副反应。先进的原子探针层析成像分析证实，BMEA积极参与固体电解质界面相(SEI)的形成，有效防止铝表面腐蚀并延长铝负极的循环寿命。将BMEA用作铝有机电池中的电解液，所得Al||四氯-1,4-苯醌(TCB)电池表现出218.0mAhg−1的高容量，并表现出超过300次循环的稳定循环性能。这项研究强调了螯合剂作为添加剂在推进高性能铝电池方面的潜力。

合成方法

电解液制备：在超纯水中配制1MAl(OTf)3溶液作为基准电解液。随后，将不同量的BME和BMEA（0.2、0.5、0.8和1.0mol）溶解到基准电解液中，配制不同浓度的BME和BMEA电解液。

电极制备：以KMnO4和MnSO4为反应物，在水溶液中采用水热法合成α-MnO2纳米线。具体而言，将0.9878gKMnO4和0.4226gMnSO4•H2O分散在80mL去离子（DI）水中，不断搅拌30min，形成紫色溶液。然后将获得的浆体转移到100mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，密封并在160℃下加热12h。首先通过离心将合成的纳米线从溶液中分离出来，然后用去离子水和乙醇清洗，最后在60℃的空气中干燥12h。

图文导读

图 1. 螯合剂调控溶剂化结构设计示意图

图2. 含0.5MMEA、BMEA和仅Al(OTf)3的电解质的FTIR光谱：(A)1300–1100cm-1，(B)1700–1500cm-1，(C)4000–2500cm-1。(D)含0.5MMEA、BMEA和仅Al(OTf)3的不同电解质的2HNMR光谱。(E)含MEA和(F)BMEA的电解质的MD模拟盒快照，(G)含MEA和BMEA的电解质的径向分布函数和配位数

图3. (A)线性扫描伏安法(LSV)曲线用于确定电解质稳定性，(B)CV曲线用于确定电化学稳定性电位窗口，(C)不同电解质的Tafel极化曲线，(D)添加Al(OTf)3和(E-I)添加BMEA添加剂的铝金属表面SEM图像，(J)TOF-SIMS溅射体积中SEI不同元素分布的三维视图，(K)和(L)不同电解质铝电极的Al2p和C1sXPS

图4. (A)SEM成像显示夹层结构，内部SEI和Al表面之间的界面与提取样品的中心对齐；(B)原子图的俯视图，显示内部SEI和Al表面沿箭头方向和Al的原子图；(C)原子图的俯视图和(D)2D浓度图显示NH、AlxOy、SO2、OH+H2O和CF3在内部SEI中的分布；(E)不同电解质中Al剥离/镀层的原位光学可视化；(F)电流密度为0.1mAcm−2时Al||Ti电池的Al剥离/镀层效率；(G)Al对称电池在0.1mAcm−2下0.1mAhcm-2的Al剥离/镀层循环，插图中的选定电压曲线。(H)在不同电流密度下的Al剥离/镀层循环。

图5. （A）不同电解液Al||TCB电池的EIS，（B）0.2C下采用Al(OTf)3和BMEA+Al(OTf)3电解液的Al||TCB电池的循环性能，（C）采用Al(OTf)3和BMEA+Al(OTf)3电解液的Al||MnO2电池的电压曲线，（D）采用Al(OTf)3和BMEA+Al(OTf)3电解液的Al||MnO2电池的循环性能，（E）采用高工作电压Sn/Al合金的Al(OTf)3和BMEA+Al(OTf)3电解液的Al||MnO2电池的电压曲线。

研究结论

通过将BMEA添加到电解液中，成功开发出一种双功能螯合驱动电解液，可同时提高电化学稳定性和铝表面保护。该方法通过重塑氢键网络和参与溶剂化结构，有效地将电化学窗口拓宽至0.01–2.2V，从而抑制HER。此外，BMEA有助于形成稳定的SEI层，减轻铝腐蚀并提高长期循环稳定性。APT分析证实了铝表面和SEI之间界面的组成和元素分布，为BMEA在界面保护中的作用提供了直接证据。此外，BMEA添加剂与有机和无机正极材料均表现出良好的相容性，支持其在铝离子电池中的广泛适用性。Al||TCB电池在300次循环中实现了218.0mAhg⁻¹的高容量，而Al||MnO₂电池在200次循环中表现出稳定的性能。这项研究验证了BMEA作为双功能螯合剂的有效性，为推进铝离子电池技术提供了一种新策略。