摘要：因铝资源丰富、成本低、安全性高等优点，非水系可充电铝电池在大规模储能领域极具应用前景。然而，以金属铝为负极、氯铝酸盐离子液体为电解质、高容量金属硒化物为正极的传统铝电池体系仍然存在电解质腐蚀性强、铝枝晶生长、活性物质穿梭效应等问题，极大限制了高比能、长循环寿命
因铝资源丰富、成本低、安全性高等优点，非水系可充电铝电池在大规模储能领域极具应用前景。然而，以金属铝为负极、氯铝酸盐离子液体为电解质、高容量金属硒化物为正极的传统铝电池体系仍然存在电解质腐蚀性强、铝枝晶生长、活性物质穿梭效应等问题，极大限制了高比能、长循环寿命铝电池的开发应用。凝胶聚合物电解质能有效降低电解质腐蚀性、抑制铝枝晶生长，然而，充放电过程中金属硒化物活性材料仍能溶于凝胶聚合物电解质，其电子绝缘特征使溶解的活性物质失去电化学活性，导致电池容量快速衰减。
研究亮点
为了克服上述问题，湖南理工学院侯朝辉教授、李刚勇副教授、李芝博士等创新性地构建了“三明治”式固态电池架构，在凝胶聚合物电解质与CuSe正极之间策略性地植入离子/电子双导电夹层（NCIL）。实验研究和理论计算结果表明，合理设计的NCIL具有三重功能：（1 ）有效限制可溶性中间体，提高活性物质利用效率；（2）通过增加阴离子转移数来调节离子传输特性，从而促进反应动力学；（3 ）抑制铝枝晶生长。该固态Al-CuSe电池在0.1 A g-1电流密度下提供了1438 mAh g-1的超高比容量，并在1.0 A g-1电流密度下有效运行了5000多次循环。通过协同电解质/电极界面优化，这种界面工程策略为开发长循环寿命、高能量密度的铝基储能系统建立了一种新的范式。相关研究成果以“Multifunctional Ion/Electron-Conductive Interlayers for Enhanced Solid-State Aluminum Batteries”为题发表在材料科学领域国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》。图文解读
图1 CuSe正极材料的表征
以CuSe为代表性转化反应型正极材料用于固态铝电池研究。通过简单回流反应制备了CuSe纳米片。采用XRD（图1a）、XPS（图1b,c）、SEM（图1d）、EDS（图1e,f）和TEM（图1g-i）对CuSe进行了系统的表征，证明了CuSe的成功合成。
图2 N掺杂碳管和NCIL的表征
以三聚氰胺为碳源、FeCl3 为催化剂，通过热处理、酸蚀等步骤制备了N掺杂碳管。SEM（图2a）及TEM（图2b,c）测试结果表明，N掺杂碳管表现出典型的竹状空心结构。XPS（图2d）测试结果表明，N元素主要以石墨化N、吡啶型N和吡咯型N存在（图2e）。通过原位聚合制备了凝胶聚合物电解质（GPE）和NCIL，拉曼光谱（图2f）和红外光谱（图2g）测试结果表明，GPE和NCIL具有相似的离子组分。SEM（图2h）及EDS（图2i）测试结果表明，GPE和NCIL之间存在明显间隙，Cl、Al、C、N元素均匀分布于GPE和NCIL。XPS测试结果进一步表明GPE和NCIL具有相同的元素组成（图2j）。然而，NCIL中的Al 2p和Cl 2p轨道的电子结合能较GPE更高，表明Al、Cl原子与N掺杂碳管存在强化学相互作用。
图3 GPE/NCIL的电化学性能
循环伏安测试结果表明，GPE与GPE/NCIL体系均能实现可逆电化学铝沉积/剥离（图3a）。电化学交流阻抗测试（图3b）结果表明，NCIL的加入显著提高了GPE/NCIL体系的离子电导率（图3c）、降低了离子迁移活化能（图3d）、提高了电子电导率（图3e）和阴离子迁移数（图3f）。这些参数的改变有利于加快电化学反应动力学。
图4 DFT计算
采用密度泛函理论（DFT）计算研究了N掺杂碳管与电解质离子组分间的相互作用。结果表明，N掺杂构型对电解质离子具有选择性吸附特点（图4a），具体而言，石墨化N（NQ）对咪唑阳离子和Al3+具有强吸附作用，吡啶型N（N6）和吡咯型N（N5）对AlxCl阴离子具有较强吸附作用。不同N掺杂构型对离子的选择性吸附有效调节了离子传输特性，显著提高了凝胶聚合物电解质的阴离子转移数，从而促进反应动力学。差分电荷密度结果进一步表明（图4b-m），NQ与咪唑阳离子存在强化学作用， N5与Alx阴离子存在强化学作用。图5 Al|GPE/NCIL|CuSe电池性能
电池的循环伏安曲线出现多对氧化还原峰（图5a），表明CuSe材料的多步氧化还原反应。充放电曲线显示出多个充放电平台（图5b），与循环伏安曲线对应。精心设计的固态Al-CuSe电池展示出良好的倍率性能（图5c）和循环稳定性（图5d）。电化学交流阻抗测试结果表明，NCIL的引入显著降低了界面电荷转移阻抗（图5e）和离子扩散阻抗（图5f,g），有利于提高反应动力学。
图6 固态铝电池循环后GPE的元素组成和循环前后金属铝负极的形貌表征
对含与不含NCIL的固态铝电池的GPE的元素组成和循环前后金属铝负极的形貌进行了表征，结果表明，经过充放电循环，在不含NCIL的固态铝电池的GPE中检测到大量的Cu、Se组分（图6a-c）；在含有NCIL的固态铝电池的GPE中未明显检测到Cu、Se组分（图6d-f），表明NCIL抑制了Cu、Se组分的穿梭效应。此外，含NCIL的固态铝电池的金属铝负极循环后为检测到明显铝枝晶（图6g），对称电池能稳定运行超过2700 h（图6h），表明NCIL有效抑制了铝枝晶的生长，提高了循环稳定性。
图6 软包固态铝电池性能
对组装的软包Al|GPE/NCIL|CuSe电池进行了电化学性能和安全性测试。结果表明，软包电池经过折叠、剪切、火烤等极端条件都能稳定输出电能，证明所设计的固态铝电池具有本征安全性。
总结展望
作者利用离子/电子双导电NCIL构建了一种稳定的固态Al-CuSe电池，以改善受穿梭效应影响的CuSe的电化学性能。系统表征和DFT计算表明，NCIL的利用不仅为溶解的物种提供了强烈的化学吸附以抑制其穿梭效应，而且加速了氧化还原反应动力学。此外，由于GPE/NCIL体系的离子电导率和阴离子迁移数增加，铝枝晶生长受到抑制。开发的固态Al-CuSe电池具有高放电容量、优异的循环稳定性和卓越的安全性。这项工作开发了一种有效的策略来抑制转换型正极材料的穿梭效应，并为开发具有高容量和长循环寿命的固态铝电池提供了有价值的见解。
原文信息：
Gangyong Li,* Zhaodi Wang, Zhi Li,* Rui Chen, Huan Li, Yanze Wang, Yonghong Lu, Yucan Zhu, Miao Zhou, Jiali Liu, Binhong He, Zhaohui Hou,* Multifunctional Ion/Electron-Conductive Interlayers for Enhanced Solid-State Aluminum Batteries, Advanced Functional Materials, 2025, https://doi.org/10.1002/adfm.202509594
来源：高分子科学前沿一点号1