近日，湖南大学化学化工学院教授吴英鹏，联合苏州大学功能纳米与软物质研究院李彦光教授展示了一项电池电极重构与修复的工作，能为设计长寿命高性能铝离子电池正极提供新思路。
（来源：Angewandte Chemie International Edition）
据介绍，高性能电池的实现，对于缓和人类社会的能源问题和环境问题有重要意义。然而，在充放电过程中，电极在发生电化学反应的同时，常会伴随着电极结构和形貌发生改变，部分电极还会发生化学组分的变化。
多数情况下，这些变化会使电极的各项性能降低。为了阻止此类性能退化，长期以来学界把精力放在提高电极稳定性上，也取得了很多进展，例如设计更稳定的电极结构、设计更稳定的分子/晶型、加入辅助成分缓解结构变化等。
但是，换个角度来看：既然电池电极总会在使用过程中发生化学/物理变化，能否通过设计特定的电极分子、调控电极所处的环境或者其他手段，让电极结构朝着有利于电池性能的积极方向去变化？
基于上述思路，该课题组开展了一系列相关工作：例如，通过限域弱化应力的同步演化来构筑稳定电极结构方法，设计“鸟巢”层状多级结构的锡铁双金属硫化物。在长循环过程中，该结构可以发生温和的结构自演化，从而形成应力分散的类球形结构，并始终保持完整的整体框架 [1]。
研究团队也曾探索通过铜集流体贡献的铜元素，去促进硒化铋二维结构电极在电化学循环中的自发重构，从而形成三维网状结构，这种结构由二维结构交联，可以带来优异的钠离子电池负极性能[2]。
基于上述积累，课题组将研究对象从锂离子电池/钠离子电池/钾离子电池负极，拓展到铝离子电池正极材料领域。
因其环境友好、低成本、高比能、高电压平台等优势，铝离子电池有机正极材料近年来受到了学界的广泛关注。
然而，有机正极材料的容量和稳定性，会被 AlCl4-离子之间的静电排斥力限制：在 AlCl4-离子嵌入到有机材料的过程中，AlCl4-之间存在较大的静电排斥力，这会阻碍更多 AlCl4-继续嵌入电极材料中，进而限制了正极的容量。
同时，在充放电过程中由于 AlCl4-的嵌入，正极分子容易发生形变，进而影响电极结构稳定性。
针对上述问题，研究人员开发了一种聚噻吩正极，经过自适应的重构，可以获得超长的稳定性。
在电池循环过程中，这种正极可以自发地调整分子聚合方式，减小充电时嵌入 AlCl4-之间的静电排斥力。
一方面，这样能有更多的 AlCl4-和聚噻吩结合增加正极容量，同时还能提高电极的传输动力学，也能抑制较大的静电排斥力造成的电极结构形变。此外，聚噻吩正极还具备良好的电化学性能。
近日，相关论文以《自适应重组使聚噻吩成为一种铝离子电池的特殊阴极材料，循环寿命为 10 万次》（Self-Adaptive Re-Organization Enables Polythiophene as an Extraordinary Cathode Material for Aluminum-Ion Batteries with a Cycle Life of 100,000 Cycles）为题发表在 Angewandte Chemie International Edition 上 [3]，第一作者是湖南大学硕士研究生张军飞，通讯作者为吴英鹏与李彦光。
图 | 吴英鹏（来源：吴英鹏）
通过该成果可以制备出一种铝离子电池，在安全、大规模、低成本、长寿命储能领域有一定的应用前景。
现有锂离子电池电解液为有机溶剂闪点很低、沸点也很低，容易引起电池着火甚至燃烧和爆炸等，不利于在大型储能电站中应用。
同时，由于资源有限，锂离子电池的成本逐年攀升，亦不利于未来的低成本大规模储能。
对于铝离子电池，一方面通过此次技术能把循环寿命大大提高，极大降低单次充放电循环的成本。
另一方面铝元素是地壳中含量最高的金属元素，不存在资源匮乏成本提高的问题。
同时，铝离子电池不含易燃易爆的成分，即使短路或者受到外界暴力破坏，也不会有燃烧爆炸等危险。因此，该成果有望在安全、大规模、低成本、长寿命储能电站或者调峰电站中获得应用。
谈及研究过程，吴英鹏表示：“我与李彦光教授一开始想研究一系列聚噻吩、及其类似物作为铝离子电池正极时，充放电电压平台与分子结构之间的关系。”
而在后续实验中，他们发现这些正极材料的循环寿命有着明显的差异，于是便抓住这一现象，并结合双方在电极的电化学重构过程的经验积累，进行了深入研究。
“化学是一门实验科学，chem-is-try，很多有意思的事都是在实验和尝试过程中发现的，我很喜欢这个过程。”吴英鹏说道。
参考资料：
1.Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2200403
2.Cell Rep. Phys. Sci. 2021, 2, 100553
3.Zhang, J., Wu, Y., Liu, M., Huang, L., Li, Y., & Wu, Y. (2022). Self‐Adaptive Re‐Organization Enables Polythiophene as an Extraordinary Cathode Material for Aluminum‐Ion Batteries with a Cycle Life of 100,000 Cycles. Angewandte Chemie.