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DOI：https://doi.org/10.1038/s41560-021-00797-7尽管锂基电池已经在当前的储能领域占据主导地位，但新型材料电池(例如铝或锌)正在成为下一代可充电电池的候选材料。使用铝或锌金属作为电极的电化学电池因其潜在的低成本、内在安全性和可持续性而受到关注。然而，目前这种电池被认为是不切实际的，因为金属正极的可逆性差、储存的电荷量极小。本文报告了一种用于促进铝沉积物和基底之间强氧介导的化学键合的电极，这种方法能够精细控制沉积的形态并提供卓越的可逆性(99.6-99.8%)。可逆性在异常的长循环时间(> 3600小时)内保持不变，并且容量比以前报告的值高两个数量级。本文表明，上述这些特征是由于消除了脆弱的电子传输路径，以及铝通过特定的金属-基底化学键的非平面沉积所导致的。● 铝和导电纤维状碳基底之间的强表面结合促进了电子传输并影响铝正极的形态演变。在电沉积开始时，铝与碳纤维表面形成界面铝氧碳化学键（图a）。● 在化学键相互作用的引导下，铝横向生长，形成均匀、致密的沉积层，该沉积层包括碳纤维上的纳米级颗粒（图b）。● 在可用的碳表面被完全覆盖后，随后的铝沉积物形成并嵌入碳纤维中的微粒（图c）。● 为了评估铝在实际面积容量下的电镀/剥离可逆性(不会因电池短路而中断)，本文测量了镀/剥离可逆性。电镀/剥离可逆性(库仑效率)大约为85%，这意味着15%的铝沉积物在每个循环中不可逆地损失(图2a)。● 为了诊断潜在的问题，还进行了扫描电子显微镜(SEM)来表征电沉积形态。图2b中的扫描电镜结果显示：铝沉积物呈现不均匀的非平面形态，这与先前的报告一致。● 铝沉积物大至20-50 μm，稀疏地分布在基底上并且彼此隔离。如图2b–d所示，这导致了较大且广泛分布的L和τ值，因此产生了缓慢并且不完全的金属剥离。▲图3 |在具有强金属-基底结合的基底上形成的铝金属沉积物的微结构。
● 用扫描电镜研究了交织碳纤维上的铝金属电沉积形貌。与沉积在平面不锈钢和非平面镍泡沫上的铝形成鲜明对比的是，在成核阶段，沉积尺寸变化很大，平均值约为几十微米。铝电沉积在碳纤维表面，通常在100-200纳米范围内(图3a，b)。● 随着沉积能力的增加，纳米级铝晶体横向生长(图3c-e)，并且沿碳表面扩展，产生厚度约为102纳米的共形铝涂层(图3d)。▲图5 |结构铝电极在恒电流电镀/剥离实验中的电化学循环行为。
● 电池能够稳定运行超过2000小时(图5a–c)。图5d中的电压曲线证实了电镀/剥离反应是稳定的，这可以通过在3600小时的循环中变窄的超电势来证明，并且没有显示出任何恶化的趋势。● 扫描电镜表征显示在平面电极上形成具有经典分形和/或树枝状形貌的扩散受限的分枝电沉积结构(图6a)。在碳基纤维上保持纳米级、致密的铝电沉积如图6b所示。● 由于短路过程，使用平面不锈钢箔的电池在5分钟内迅速失效(图6c)。这可以与电化学结果(图6d)进行比较，后者显示出高水平的可逆性和长寿命以及金属-基底结合产生的调节。本文报告了特定的界面金属-基底结合的原理，可用于实现金属电沉积形态的精细控制以及均匀、致密和异常可逆的金属沉积。以金属铝为例，首先展示了如何使用这种结合来克服金属对隔板的天然亲和力，并且防止侵蚀性的非平面电沉积。将这一概念扩展到制造图案化的铝正极，结果表明有可能获得高度可逆的金属正极，其面积比容量和循环寿命的组合比以前的文献报告高一个或多个数量级。本文的发现证实，金属正极的可逆性需要连续进入电极中的离子和电子传输路径，并且与电子传输长度尺度的控制密切相关。锌金属正极的成功推广表明：这一概念可以推广到电池中的其他金属正极之中，用以实现高可逆性。https://www.nature.com/articles/s41560-021-00797-7![]()
Lynden A. Archer
Lynden A. Archer，1989年从南加州大学获得学士学位；1993年获得斯坦福大学博士学位。Lynden Archer于2000年加入康奈尔大学，在2010年至2016年期间，曾担任康奈尔大学化学与生物分子工程学院院长，并于2017年秋季被任命为康奈尔能源系统研究所所长。Archer是美国物理学会会士，也是美国国家工程院院士。主要研究方向为纳米材料与电化学储能，包括：纳米有机杂化材料（NOHM）；锂金属电池和金属电沉积；金属空气电池和碳捕获。
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