南工大 Nano Letters：超快微波活化极化电子制备多孔铝箔助力高能量密度电池

原创 CQR 材料人

【背景介绍】

固体材料表面的合理设计推动了电子、催化、能源和生物等相关研究和工业技术的巨大进步。但是，沉积、相变等传统的表面技术依赖于复杂的程序和设备。近年来，研究者利用新兴的纳米技术，实现功能化表界面的精确调控及修饰，成功应用于低维纳米材料、量子点以及原子级分散的界面，包括通过改变表面组分实现目标功能，以及借助调控表面形貌优化界面特性。然而，金属表面的多孔结构构筑仍受限于高温烧结或成本昂贵的技术手段（如3D打印）。此外，在实际应用中还面临操作难度高、规模化制备等挑战。因此，亟待开发一种有效、可控、低成本的方法优化金属的加工与修饰，从而进一步拓展其功能与应用。

【成果简介】

近日，南京工业大学先进材料研究院黄维院士、朱纪欣教授和芮琨副教授（共同通讯作者）等人报道了基于Fe(NO₃)₃诱导氧化刻蚀，超快速、大规模制备具有多孔结构的铝箔。利用微波相互作用的有效电子极化耦合，在几分钟内就可以在各种商业化铝箔上实现直接的表面修饰，并且成功地将其扩展到块状铝合金上。作为应用展示，将具有可调表面能的多孔铝箔作为电池集流体，在提高循环稳定性和能量密度方面显示出巨大的应用潜力。基于此构建的LiFePO₄-Li电池在550次循环后，可逆容量保持率为85.2％（与商用Al/C铝箔相当），而能量密度约是基于原始铝箔的LiFePO₄-Li电池的3倍。研究成果以题为“Ultrafast Microwave Activating Polarized Electron for Scalable Porous Al toward High-Energy-Density Batteries”发表在国际著名期刊Nano Letters上。

【图文导读】

图一、多孔铝箔的制备示意图及其SEM图

（a）微波诱导制备多孔铝箔的示意图；

（b, f）原始Al的表面和横截面SEM图像；

（c, g）多孔铝箔Al-MW10的表面和横截面SEM图像；

（d, h）多孔铝箔Al-MW20的表面和横截面SEM图像；

（e, i）多孔铝箔Al-MW30的表面和横截面SEM图像。

图二、浓度和不同前体对铝箔表面的影响

（a-d）由不同浓度的Fe(NO₃)₃制备的Al箔的SEM图：25 mM、2.5 mM、12.5 mM、125 mM；

（e-h）pH=1.29的不同前体溶液制备的Al箔的SEM图像：Co(NO₃)₂、Ni(NO₃)₂、HNO₃、FeCl₃。

图三、微波照射对多种铝基表面的影响

（a, c, e, g, i）原始合金Al/Mn、Al/Mg、Al/Si、Al/C和Al/PP的SEM图像；

（b, d, f, h, j）在25 mM Fe(NO₃)₃下微波处理后的合金Al/Mn、Al/Mg、Al/Si、Al/C和Al/PP的SEM图像。

图四、不同微波照射时间对铝箔性质的影响

（a-b）厚度、质量与微波时间的关系，线性拟合用于估计不同微波时间后铝箔的厚度和质量；

（c-d）应力和电阻率随微波时间的变化；

（e-f）H₂O和NMP在Al、Al-MW10、Al-MW20和Al-MW30表面的润湿性；

（g）Al、Al-MW10、Al-MW20和Al-MW30的2D/3D AFM图像。

图五、基于不同铝箔的LiFePO₄正极的性能

（a）以多孔Al、原始Al和商用Al/C箔为集流体的LiFePO₄正极在1 C下的循环性能；

（b）LiFePO₄正极的典型C-V曲线，其中扫描速率为0.2 mV s^-1；

（c）在1 C下，基于不同Al箔的LiFePO₄正极的放电能量密度；

（d）基于不同Al箔的LiFePO₄正极的奈奎斯特图。

【小结】

本文提出了一种高效、省时的微波辅助制备多孔铝箔的策略。金属Al表面的大量自由电子可以被电磁能极化，而Fe(NO₃)₃在快速加热的固液界面上诱导有效蚀刻，从而在多种Al箔表面实现多孔网络结构的构建。得益于集流体的减薄减重和界面电接触优化，负载在多孔Al箔上的LiFePO₄正极的循环稳定性和能量密度得到有效提高。这种可扩展的策略不仅为开发下一代能源相关器件提供了新的可能性，还拓展了表面化学在多种应用场景中的巨大潜力。

文献链接：

Ultrafast Microwave Activating Polarized Electron for Scalable Porous Al toward High-Energy-Density Batteries （Nano Letters, 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03762）

本文由CQR编译。

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