研究背景 近年來 人們緻力於開發具有高能量密度、高安全性、低成本的新型電化學儲能係統 清華大學伍暉課題組：基於無機熔鹽電解質的高性能中溫鋁離子電池 - 趣味新聞網

研究背景

近年來，人們緻力於開發具有高能量密度、高安全性、低成本的新型電化學儲能係統，以滿足日益增長的大規模儲能需求。在過去幾十年中，鋰離子電池在儲能應用方麵取得瞭巨大成功。然而，考慮其成本高昂，且存在安全和迴收問題，研究人員也正緻力於其他電池係統的開發。其中，鋁離子電池具有理論能量密度高、安全性好、環境友好、成本低廉等優點，是一種很有前途的電網儲能材料。近年來，基於室溫離子液體電解質和石墨正極的鋁離子電池取得瞭重大進展。但是，盡管具有良好的倍率性能和循環穩定性，電解液的高成本和正極材料相對低的比容量仍是該類電池的兩大痛點問題。因此，針對鋁離子電池新體係的研究至關重要。

成果簡介

近日， 清華大學伍暉課題組報道瞭一種基於熔鹽電解質的中溫鋁-二硫化鎳電池（Al/NiS2電池）。 其中，正極材料采用熔鹽原位閤成法，實現瞭超高活性材料負載量（～30mg /cm2），而NaCl-AlCl3-Al2S3電解質在工作溫度下具有高離子電導率（～0.55 S/cm @ 240℃）。Al/NiS2電池在較寬的工作溫度窗口內（180-240℃）錶現齣瞭優異的倍率性能和循環穩定性。其中，在240℃下進行2000次循環後，正極比容量仍維持在320 mAh/g。同時，該電池具有耐過充能力，並可以通過凍結電解質在室溫下實現近半年的超長時間儲能。該文章發錶在Energy Storage Materials。清華大學材料學院博士生王匡宇為本文第一作者，清華大學伍暉副教授和華北電力大學劉凱特聘副教授為本文通訊作者。

圖文導讀

圖1Al/NiS2電池構型。

圖1a展示瞭Al/NiS2電池的基本構型。NaCl-AlCl3-Al2S3熔鹽電解質填充在鋁殼負極內，而NiS2@C正極通過乾壓工藝被壓入鉬網極流體中。為瞭防止短路，正負極之間由一層玻璃縴維隔開，正負極集流體之間則采用玻璃密封實現氣密性和絕緣性。

圖2正極前驅體與NiS2@C正極的錶徵。

NiS2@C正極是通過熔鹽原位閤成法閤成的。首先，用氯化鎳溶液浸漬導電炭黑得到NiCl2@C粉末，並與硫粉和聚四氟乙烯粘閤劑混閤後輥軋成薄片，從而得到正極前驅體。將正極前驅體浸入NaCl-AlCl3-Al2S3熔鹽在180℃下加熱4小時，即可得到NiS2@C正極。XRD、XPS、SEM等錶徵手段證實瞭上述閤成反應機理。通過該方法製備的NiS2@C正極具有活性物質負載量大、製備方法簡單的特點，因而與電池組裝工藝具有較高的適配性。

圖3Al/NiS2電池反應機理錶徵。

Al/NiS2電池的充放電具有多個平台，因此涉及多步反應。該文章通過XRD、XPS、Raman等錶徵手段，係統研究瞭每個平台對應的電化學反應。從第二次循環開始，正極活性物質的最終放電産物是Ni，最終充電産物是Ni3S4。Ni3S2、NiS等物質作為中間産物參與反應。特彆地，文章也闡明瞭過充條件下電池反應的可逆性，證明瞭該電池體係具有耐過充的特點。

圖4Al/NiS2電池的電化學性能。

Al/NiS2電池具有優異的綜閤電化學性能。該電池在2000 mA/g的電流密度下，在180℃、210℃和240℃依然能夠實現310 mAh/g、365 mAh/g和390 mAh/g的正極比容量。在240℃、電流密度2000 mA/g的循環測試中，2000次循環後正極比容量仍維持在320 mAh/g，且庫侖效率接近100%。Al/NiS2電池優異的電化學性能主要來源於三點。首先，高於常溫的工作環境加快瞭電池反應動力學，減小瞭電池內阻。其次，NiS2@C正極在循環過程中具有很高的結構穩定性。2000次循環後正極活性物質與碳導電網絡仍保持緊密連接，且未觀察到明顯的晶粒生長。第三，金屬硫化物正極在離子液體中往往存在分解和溶解問題，而該電池體係中正極各個階段的充放電産物在無機熔鹽電解質中具有很高的化學與電化學穩定性。

圖5Al/NiS2電池降溫重啓測試與長時間儲能測試。

基於風能和太陽能的發電裝置往往需要與長時間儲能裝置進行係統配套和整閤。Al/NiS2電池則為長時間儲能提供瞭一種低成本、高安全性和高可靠性的新方案。首先，Al/NiS2電池係統的材料成本相對較低，符閤長時間儲能係統的基本要求。其次，Al/NiS2電池係統可以在工作溫度下充電，並在室溫環境下儲存能量，大大減緩自放電的同時降低維護成本。如圖5b所示，在充電至1.05 V並在室溫下保持近半年後，電池可以重新啓動，且沒有發生明顯的自放電。

【結論】

本工作開發瞭一種基於NiS2@C正極和NaCl-AlCl3-Al2S3熔鹽電解質的中溫鋁電池。首先，采用無機熔鹽電解液代替離子液體電解液降低瞭材料成本，而采用熔鹽原位閤成方法製備正極降低瞭電池製造成本。其次，電池係統具有較高的理論能量密度（204 Wh/kg和673 Wh/L）。在實驗上，全電池也顯示齣瞭優異的整體性能。在240℃、電流密度2000 mA/g的循環測試中，經曆2000次循環後，正極比容量仍維持在320 mAh/g。第三，電池在過充工況和降溫重啓後均能正常運行，保證瞭電池係統的穩定性，且可以實現長時間儲能。總的來說，Al/NiS2電池具有成本低廉、安全性高，綜閤電化學性能優異的特點，展現齣瞭應用於大規模儲能係統的良好前景。

Kuangyu Wang, Kai Liu*, Cheng Yang, Ziyao Chen, Haitian Zhang, Yulong Wu, Yuanzheng Long, Yang Jin, Xiangming He, Meicheng Li, and Hui Wu*. A High-Performance Intermediate-Temperature Aluminum-Ion Battery Based on Molten Salt Electrolyte. DOI:10.1016/j.ensm.2022.03.030

團隊簡介

劉凱，華北電力大學新能源學院特聘副教授。分彆於2012年和2017年在清華大學材料學院獲得學士和博士學位。2018年4月進入美國斯坦福大學材料科學與工程係崔屹教授課題組，從事博士後研究工作。2019年7月，入選清華大學水木學者計劃，進入清華大學材料學院伍暉副教授課題組繼續從事博士後研究工作。2021年11月，博士後齣站入職華北電力大學。主要研究方嚮為先進儲能電池及其材料，包括鋰離子固態電解質材料研究和新型電網儲能電池研發。先後以第一作者、共同第一作者或共同通訊作者身份在Nature Energy、Joule、Matter、Advanced Materials、Energy Storage Materials、JMCA和JPS等學術期刊發錶多篇論文，並申請多項相關發明專利。

伍暉，1983年1月齣生，博士，現任清華大學材料學院長聘副教授。2004年7月畢業於清華大學化學工程係高分子專業，獲得學士學位；同年保送清華大學材料係碩博聯讀，師從潘偉教授。2009年7月獲清華大學工學博士學位，2009年7月至2012年11月在美國斯坦福大學材料係從事博士後研究，2012年11月進入清華大學材料學院任職副教授。研究方嚮包括超細縴維和能源存儲材料。所取得的科研進展已經發錶學術論文180餘篇，其中以第一作者或通訊作者身份在Nature Nanotechnology, Nature Energy, Science Advances, Nature Communications, JACS, Adv. Mater.等學術期刊上發錶多篇學術論文。有12篇論文被計入ISI高引用論文（ISI highly cited papers)。Google Scholar統計論文總計被引用26000餘次，H因子47。博士論文《電紡絲納米縴維的製備、組裝與性能》榮獲“全國百篇優秀博士學位論文”；清華大學“基礎研究青年人纔支持計劃”；2013年獲得北京市科學技術三等奬（個人排名第2）；2013年獲得中國矽酸鹽學會青年科學傢提名奬；2014年度被評為麻省理工科技評論全球35名青年創新人物(TR35)；2014年起作為負責人承擔科技部青年973項目；2015年起承擔基金委優秀青年基金項目。2019年獲得教育部青年科學奬、北京市傑青。

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