論文簡介

本論文詳細探討了鋁基電池作為低成本大規模能量存儲解決方案的潛力，特別是針對鋁金屬負極（AMA）在實際應用中面臨的循環穩定性挑戰。研究團隊通過引入經典的金屬電沉積理論，提出了交換電流密度與極限電流密度的比值作為關鍵參數，并開發了一種具有精確調控厚度的聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂層，以有效平衡界面反應和質量傳輸，實現了鋁的均勻電沉積。這項工作不僅為鋁電沉積提供了新的理解，還為構建長期穩定性鋁基電池提供了實用策略。

研究背景

鋁金屬負極（AMA）因其高理論體積容量（8046 mAh cm-3）和高理論比容量（2980 mAh g-1）而備受關注。然而，AMA的實際應用受到其在低面積容量和小電流密度下快速短路和粉碎問題的挑戰，這主要是由于鋁的非平面沉積行為比其他金屬更為嚴重。這種不均勻的電沉積通常會導致大的鋁晶粒或鋁枝晶的形成，進而導致鋁剝離不完全和死鋁積累，最終穿透隔膜。盡管已有一些策略被提出來解決其他金屬負極的類似問題，例如使用三維宿主分散電流密度、構建親鋁表面以形成均勻的成核等，但由于鋁的高楊氏模量，這些策略在抑制鋁枝晶生長方面面臨挑戰。此外，與活性金屬負極不同，鋁金屬在典型的離子液體電解質中并不那么容易形成固體電解質界面（SEI），因此其他策略如引入電解液添加劑或人工SEI以調節界面反應動力學，以及引入溶劑降低電解液粘度和提高離子擴散等，都未能令人滿意地穩定AMA。因此，如何在大電流密度和面積容量下指導鋁的均勻電沉積，以滿足實際應用需求，仍是一個挑戰。這項研究基于經典的金屬電沉積理論，探索了鋁電沉積行為，并提出了通過調節交換電流密度（i0）/極限電流密度（iL）來實現鋁金屬均勻電沉積的新策略。

圖文導讀

Figure 1：展示了不同i0/iL比值下的極化曲線，以及通過PDMS涂層層調節的電沉積行為。說明了i0/iL比值對金屬沉積行為的影響，以及PDMS涂層如何通過改變i0/iL比值來調控電沉積形態。

Figure 2：描述了Al2Cl7-在PDMS中的傳輸機制。包括PDMS形成離子傳輸通道的示意圖、不同時間浸泡在離子液體中的PDMS的27Al NMR譜圖、XPS譜圖，以及通過EIS測量得到的Nyquist圖和等效電路圖。這些結果揭示了離子液體如何通過PDMS層傳輸，以及PDMS層對Al2Cl7-傳輸的影響。

Figure 3：展示了通過不同厚度的PDMS層調節i0/iL的效果。包括PDMS層的FIB-SEM橫截面圖像、對稱電池在不同電流密度下的充放電曲線、i與PDMS層厚度的關系圖、Tafel圖以及i0/iL的比較圖。說明了PDMS層厚度對電化學沉積行為的影響。

Figure 4：展示了在不同電流密度和沉積容量下，PDMS涂層對Al電沉積行為的影響。包括在原始銅和PDMS-Cu上的Al沉積的SEM圖像，以及不同電流密度下Al沉積粒徑分布的圖表。

Figure 5：展示了PDMS涂層對電化學性能的影響，包括不同電流密度和沉積容量下的Al||Cu半電池的庫侖效率（CEs）、對稱電池的循環性能，以及與人造石墨正極組合的全電池的性能。這些結果表明，PDMS涂層顯著提高了AMA的循環穩定性和電化學性能。

總結與展望

研究團隊通過精心設計的聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂層，可以有效地穩定鋁金屬負極（AMA），實現均勻且均勻的鋁電沉積。這種設計基于調控交換電流密度（i0）與極限電流密度（iL）的比值，該比值是評估界面反應和Al2Cl7-質量傳輸的一個重要參數。通過將PDMS涂層的厚度精確調整至1.0微米，研究團隊實現了最低的i0/iL比值，從而在高電流密度和沉積容量下獲得了出色的庫侖效率（99.9%）和長達2800小時的穩定循環性能。此外，與人造石墨正極結合的全電池展示了穩定的放電容量和高庫侖效率，且在2500個循環中沒有明顯的容量或效率衰減。這項工作不僅為鋁電沉積的原理提供了新見解，還為其他金屬負極（如Li、Mg、Ca、Zn）的界面調控提供了可行的設計策略。