铝碳二次电池的基础研究

Lithium-ion batteries have become the main force in the field of new energy after more than 20 years of development. However, its large-scale application has been limited due to the shortage of lithium resources. Currently, developing high-energy density, low-cost, and fast charge-discharge aluminum-ion batteries has been a research focus. This project intends to use the graphitic structure materials with the capacity of the intercalation and de-intercalation process of aluminum coordination ions as the active materials, developing a variety of new electrolyte systems and alloy anode materials, studying the comprehensive electrochemical performance of the battery system, looking forward to explore the suitable positive and negative materials and the optimal electrolyte system for the aluminum/graphite rechargeable battery. Finally, the mechanism of aluminum battery will be disclosed. The achievement obtained by this project will provide theoretical and technical support for the development of aluminum battery.

锂离子电池经过20多年的发展，已经成为新能源领域的主力军，然而受锂资源短缺的制约，其大规模应用已受到限制。目前，开发高能量密度、廉价、可快速充放电的铝离子电池，成为新能源领域的研究热点。本项目拟采用具有阴配离子嵌入-脱嵌能力的石墨结构材料作为活性物质，发展多种新型电解液体系和合金负极材料，研究该电池体系的综合电化学性能，以期探索出适应于铝碳二次电池的正、负极材料及最优的电解液体系，并对该类铝电池工作机制进行系统研究。相关成果对新型铝电池发展提供有力的的理论依据和技术支撑。

围绕高安全、高性能铝电池存在的核心难题，本项目从正极、负极、电解质等关键环节上进行了深入系统深究。针对石墨表面缺陷和高石墨化度存在相互制约关系，采用电解、酸浸剥离等方法对碳材料的结构、形貌和掺杂形态进行了调控，阐明了微观结构演化与电池性能的关联机制，明确了容量提升和倍率性能改善的设计方法。同时研究了不同分子结构的有机正极材料的储铝电化学性能，明确了有机铝离子电池的电化学存储动力学过程，揭示了不同活性位点与铝配离子的络合-解离机理，获得了高循环稳定性、高电压的有机正极。针对非水系铝离子电池体系中的铝金属负极表面的实时演化行为开展了原位研究，揭示了铝金属表面金属沉积-腐蚀耦合演化机理以及枝晶形成机理；同时设计了新型抗腐蚀的稳定负极材料，明晰了耐腐蚀机制，实现了电池容量和稳定性的提升。此外，设计并开发了具有低熔点和高离子电导率的四元无机熔盐电解质、宽电势窗且低产气的聚合物凝胶电解质、空气稳定且不可燃的MOF基准固态电解质，确定了电解质体系合适的制备方案，探讨了相应电池体系的电化学反应过程和储能性能，获得了适应不同工作条件的铝电池超高稳定性电解质体系。针对铝离子电池放大过程中遇到的实际问题，明确了集流体材质、粘结剂种类等对电池性能的影响规律，并系统验证了电芯的装配工艺、能量密度、循环寿命、自放电、器件产气率等。本项目研究成果对新能源领域的发展，尤其是铝离子电池的研发和应用奠定坚实基础。本项目发表SCI期刊论文45篇，包括Chemical Reviews、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Angewandte Chemie International Edition等；授权专利5项；研究团队中1人入选北京市科技新星，1人取得职称晋升，培养博士后1名、博士生5名、硕士生4名；入选2019年“万人计划”科技创新领军人才，荣获第十五届中国青年科技奖；担任中国金属学会熔盐化学与技术分会副主任委员和中国稀土学会火法冶金专业委员会副主任委员；任《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》期刊副主编，《中国冶金》期刊编委。