科学家开发出存储能力更强的铝离子电池

研究人员利用一种有机氧化还原聚合物开发出了一种铝离子电池正极材料，其容量高于石墨。这种电极材料成功地进行了 5000 次充电循环，在 10 C 温度下保持了 88% 的容量，标志着铝电池开发取得了重大进展。

一个研究小组创造出一种有机氧化还原聚合物，可用作铝离子电池的正极。铝离子电池正在成为传统电池的潜在替代品，因为传统电池依赖于锂等难以获取且难以回收的材料。这种转变归因于铝在地壳中的丰富含量、其可回收性，以及相对于锂的安全性和成本效益。

尽管如此，铝离子电池的发展仍处于早期阶段，因为研究人员仍在寻找能够提供足够存储容量的适当电极材料。最近，由乌尔姆大学的 Birgit Esser 博士、弗莱堡大学的 Ingo Krossing 博士和 Anna Fischer 教授领导，Gauthier Studer 负责的研究小组在这一领域取得了突破性进展。研究小组开发了一种正电极材料，由一种基于吩噻嗪的有机氧化还原聚合物组成。

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在实验中，使用这种电极材料的铝电池存储的容量达到了以前从未达到的每克 167 毫安时（mAh/g）。因此，这种有机氧化还原聚合物的容量超过了石墨，而迄今为止，石墨主要用作电池的电极材料。该研究成果发表在《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）杂志上。

将电极材料插入复杂的铝阴离子

在电池充电过程中，电极材料会被氧化，从而吸收复杂的铝阴离子。这样，有机氧化还原聚合物聚（3-乙烯基-N-甲基吩噻嗪）就能在充电过程中可逆地插入两个[AlCl4]-阴离子。研究人员使用离子液体乙基甲基氯化咪唑作为电解质，并添加了氯化铝。

电池示意图显示了电极材料被氧化、铝酸阴离子沉积的氧化还原过程。图片来源：Birgit Esser /弗莱堡大学

"铝电池研究是一个令人兴奋的研究领域，在未来的储能系统中具有巨大潜力，"Gauthier Studer 说。"我们的重点是开发具有高性能和可逆特性的新型有机氧化还原活性材料。通过研究聚（3-乙烯基-N-甲基吩噻嗪）在氯铝酸盐基离子液体中的氧化还原特性，我们取得了重大突破，首次证明了吩噻嗪基电极材料的可逆双电子氧化还原过程。"

在 10 摄氏度条件下进行 5,000 次充电循环后，电池仍能保持 88% 的容量

聚（3-乙烯基-N-甲基吩噻嗪）能在 0.81 伏和 1.65 伏的电位下沉积[AlCl4]-阴离子，并提供高达 167 毫安时/克的比容量。相比之下，作为铝电池电极材料的石墨的放电容量为 120 毫安时/克。经过 5000 次充电循环后，研究小组展示的电池在 10 C（即充放电速率为 6 分钟）条件下仍具有 88% 的容量。在较低的 C 速率下，即充放电时间较长的情况下，电池仍能恢复到原来的容量。

Birgit Esser 说："这种电极材料具有放电电压高、比容量大以及在快速 C 速率下容量保持率高的特点，代表了可充电铝电池开发领域的一大进步，因此也代表了先进且经济实惠的储能解决方案的一大进步。