AlCl4−缺乏的共晶电解质实现可逆碘氧化还原两性转化用于高性能铝电

研究简介

Al电池因其固有的安全性、低成本和铝阳极的诱人指标而有望成为可持续和大规模储能的理想选择。然而，开发高电压和高容量正极仍然是一个关键挑战。在此，我们实现了铝电池中可逆的碘氧化还原两性转化（即I−/I0/I+），其中发现缺乏AlCl4−的共晶电解质对于稳定转化过程至关重要。与容易产生寄生Cl2的离子液体电解质相比，共晶体系有利于I−/I0/I+转化过程，具有高可逆性并显著抑制Cl2的生成。光谱和理论研究表明，AlCl4−是限制电解质阳极稳定性的主要物质，其在共晶电解质中的减少直接增强了碘转化的可逆性。优化后的电解液使碘电极的比容量达到358mAhg−1，能量密度达到490Whkg−1（基于碘质量），并具有优异的循环稳定性（1000次循环后保持率为83.8%）。高负载碘电极（8.52mgcm−2）实现了2.25mAhcm−2的高面积容量，并证明了其在单层软包电池中的实用可行性。这项研究为高能量密度铝电池建立了新的设计框架，并为推进多价体系的转化化学开辟了新途径。

图文导读

图1. I2电极与碘氧化还原两性转化的示意图。a)在富含AlCl4−的离子液体电解质(AlCl3/EMIMCl)中碘转化并产生大量的Cl2。b)在AlCl4−浓度降低的共晶电解质(AlCl3/乙酰胺)中碘转化。

图2. 碘的氧化还原-两性转化分析。a)AlCl3/EMIMCl和b)AlCl3/乙酰胺中不同截止电压下I2电极在1Ag−1下的GCD曲线。c)AlCl3/EMIMCl在1Ag−1下进行10次GCD循环前后的拉曼光谱。d)充放电循环期间AlCl3/乙酰胺中I2电极的原位拉曼光谱。e)原始和完全充电的I2电极的IK边XANES光谱。f)AIMD模拟快照，显示AlCl3/乙酰胺电解质中的I−阴离子。g)从AIMD模拟中提取的I−阴离子的局部环境。紫色球体：I，蓝色球体：Al，绿色球体：Cl，红色球体：O，白色球体：H，棕色球体：C，银色球体：N。h)从AIMD模拟中提取的I-Al对的RDF轮廓

图3. 电解质特性和模拟。a)不同电解质中电流密度随施加电压的变化。b)不同电解质中AlCl4−和Al2Cl7−的拉曼强度比。c)从AIMD模拟中提取的不同电解质中含氯物种的浓度。d)不同Al-Cl物种的HOMO能级。

图4. I2电极的电化学分析。a)不同扫描速率下I2电极的CV曲线。b)I2电极的O1/R1峰的Log(i)作为log(v)的函数。c)从不同电压下I2电极的EIS分析得出的I2电极的Rs和Rct。d)不同电流密度下I2电极的GCD曲线。e)与已报道的非水系Al电池正极材料相比，I2电极的平均放电电压和比容量。f)I2电极在1Ag−1下的循环性能。

图5. 高负载碘电极和软包电池装置的电化学性能。a)不同负载碘电极的面积容量和比容量。b)高负载碘电极(8.52mgcm−2)的面积容量与最近报道的非水系铝电池正极的比较。c)单层铝-碘软包电池在2mAcm−2下的GCD曲线。插图显示了装置配置。d)单层铝-碘软包电池在2mAcm−2下的循环性能。e)由铝-碘软包电池供电的定时器的数码照片

研究结论

本研究揭示了铝电池中可逆的碘氧化还原两性转化(I−/I0/I⁺)，并揭示了AlCl4−缺乏的共晶电解质的关键作用。与存在寄生Cl2析出和低库仑效率的离子液体体系不同，共晶电解质提供了更宽的阳极稳定窗口，并使I2电极能够实现I−/I0/I⁺转化，在1Ag−1时提供358mAhg−1的高比容量。这种良好的电化学行为归因于AlCl4−浓度的抑制，而AlCl4−是控制电解质氧化稳定性的主要物质。高效且理想的I−/I0/I⁺转化化学进一步使得构建高负载I2电极成为可能，该电极提供前所未有的2.25mAhcm−2面积容量，超过所有先前报道的非水铝电池正极。所提出的两性碘氧化还原机理为开发高能量密度铝电池系统提供了一种新的设计策略。同时，我们也认识到构建Al//I2电池仍存在挑战，尤其是需要提高其库仑效率。解决这一限制需要在未来投入大量精力，重点关注系统级优化，包括合理设计主体材料以及进一步改进电解质工程。