摘要：随着全球能源需求的不断增长，开发高效、安全且经济的储能技术成为当务之急。铝电池因其低成本、高容量以及使用不可燃电解质带来的高安全性，近年来受到广泛关注。然而，传统的离子液体电解质体系下的铝电池存在诸多挑战，例如铝枝晶生长、界面退化以及电解质的腐蚀性等问题，这些

随着全球能源需求的不断增长，开发高效、安全且经济的储能技术成为当务之急。铝电池因其低成本、高容量以及使用不可燃电解质带来的高安全性，近年来受到广泛关注。然而，传统的离子液体电解质体系下的铝电池存在诸多挑战，例如铝枝晶生长、界面退化以及电解质的腐蚀性等问题，这些问题严重限制了铝电池的实际应用。

为了克服这些挑战，湖南理工学院侯朝辉教授、李刚勇副教授、李芝博士等提出了一种基于原位聚合策略的超稳定固态铝电池（SAB），通过构建交联聚合物固态电解质（PSE）和聚合物封装石墨（PG）正极，有效解决了传统铝电池中的关键问题。

研究亮点

研究团队通过原位聚合方法制备了具有高离子电导率（4.15×10⁻³ S/cm）和低腐蚀性的PSE，并将其与PG正极结合，实现了PSE/PG和PSE/铝负极之间的良好界面兼容性。这种设计不仅抑制了铝枝晶的生长，还通过聚合物骨架的限域效应显著减少了石墨正极的体积膨胀。实验结果表明，该固态铝电池在0.1 mA/cm²的电流密度下展现出0.67 mAh/cm²的高比容量，并在10000次循环后仍保持稳定的容量，显示出卓越的循环稳定性。此外，这种电池在机械变形和空气暴露条件下仍能正常工作，展现出优异的安全性。相关研究成果以“Long-Lasting Solid-State Aluminum Battery with High-Areal-Capacity Enabled by In Situ Polymerization Strategy”为题发表在《Advanced Materials》。

图文解读

图1 液态和固态铝电池的结构示意图

传统液态铝电池（图1a）使用离子液体电解质（ILE），使用隔膜来分隔正负极，这种设计容易导致铝枝晶生长、界面退化和电解质腐蚀等问题。采用传统涂覆工艺制备的石墨正极组装的固态铝电池（图1b）中，尽管使用聚合物固态电解质（PSE）降低了对铝负极的腐蚀，但仍然存在PSE/石墨界面不兼容性、离子/电子传输不匹配等问题。相比之下，当固态铝电池中使用PSE和PG正极时（图1c），不仅解决了液态电池的缺陷，还通过原位聚合技术实现了电解质与活性材料之间的紧密接触，显著提高了电池的稳定性和安全性。图1c特别强调了通过原位聚合策略构建的固态铝电池，其核心在于通过交联聚合物骨架封装ILE和石墨，从而抑制铝枝晶生长和石墨体积膨胀，为开发高性能固态铝电池提供了新的思路。

图2 聚合物固态电解质（PSE）的制备与表征

通过将离子液体与单体、交联剂和引发剂混合后进行聚合，制备出具有良好柔韧性和阻燃性的PSE（图2a）。图2b和2c展示了PSE的柔韧性，其厚度仅为0.225毫米，可以轻松缠绕在玻璃棒上并切割成柔性圆片。图2d和2e通过燃烧实验对比了PSE与传统碳酸酯电解质的阻燃性，结果表明，PSE具有优异的非燃性，这对于提高电池的安全性至关重要。通过扫描电子显微镜（SEM，图2f）和X射线能量色散光谱（EDS，图2g）分析揭示了PSE表面的皱纹状结构以及Al、Cl、C和N元素的均匀分布。通过拉曼光谱（图2h）和傅里叶变换红外光谱（图2i）分析进一步确认了PSE的成功合成及其内部的化学结构。上述结果表明，PSE不仅具有良好的机械性能，还具备优异的化学稳定性和离子传导性，为构建高性能固态铝电池奠定了基础。

图3 PSE的电化学性能

图3展示了PSE的电化学性能，重点关注其离子传导性和界面稳定性。图3a通过循环伏安（CV）测试比较了PSE和传统离子液体电解质在铝电极上的电化学行为，结果显示PSE具有更宽的电化学窗口，表明其更高的稳定性。图3b通过理论计算分析了PSE中聚合物与离子液体成分之间的相互作用，揭示了聚合物对PSE稳定性提升的贡献。图3c的电化学阻抗谱（EIS）测试表明，PSE在不同温度下均展现出良好的离子传导性，其室温下的离子电导率为4.15×10⁻³ S/cm，且具有较低的活化能（0.068 eV），这意味着PSE能够快速传导离子。图3d和3e通过离子迁移数测试进一步证明了PSE中阳离子的主导传导作用。图3f至3i则通过长期稳定性测试和表面形貌分析，展示了PSE在抑制铝枝晶生长和均匀腐蚀铝电极方面的优势。这些结果表明，PSE不仅能够有效传导离子，还能显著提高铝电极的稳定性和电池的循环寿命。

图4 聚合物封装石墨（PG）正极的制备与表征

图4a展示了PG正极的制备流程，通过原位聚合技术将石墨封装在交联聚合物骨架中，从而实现与电解质的紧密接触。图4b的拉曼光谱分析确认了PG正极中石墨的存在及其与离子液体的结合。图4c至4g的SEM和EDS分析揭示了PG正极表面的粗糙结构以及Al、Cl、C等元素的均匀分布，表明石墨被成功封装在聚合物中。图4h-m的截面SEM和EDS分析进一步证实了石墨与聚合物之间的紧密接触。图4n和4o展示了PG正极的机械柔韧性，即使经过反复弯曲和扭曲，PG正极仍能保持完整。图4p-r的燃烧实验则证明了PG正极的阻燃性，即使在火焰中加热5秒，PG正极也不会燃烧。上述结果表明，PG正极不仅具有良好的结构稳定性，还具备优异的柔韧性和阻燃性，为固态铝电池的高性能提供了重要保障。

图5 固态铝电池（SAB）的电化学性能

图5展示了基于PSE和PG正极的SAB的电化学性能。图5a通过示意图说明了原位聚合技术如何改善电池的界面接触和整体性能。图5b的截面SEM和EDS分析揭示了PSE与PG正极之间的紧密接触以及Al、Cl元素的均匀分布。图5c的电流-时间曲线表明，PSE/PG界面具有良好的电子绝缘性。图5d至5f通过CV和充放电测试展示了电池的高比容量（0.24 mAh/cm²）和快速激活特性。图5g的原位拉曼光谱分析进一步证明了PG正极在充放电过程中的高可逆性。图5h-k则通过不同温度和电流密度下的循环测试，展示了电池的优异倍率性能和长达10000次循环的稳定性。上述结果表明，通过原位聚合技术构建的固态铝电池不仅具有高比容量和快速充放电能力，还具备优异的循环稳定性和温度适应性，为固态铝电池的实际应用提供了有力支持。

图6：软包SAB的实用性和机械稳定性测试

图6a展示了基于PSE和PG正极的软包SAB的结构示意图。图6b的充放电曲线表明，该电池在0.1 mA/cm²的电流密度下能够提供超过1.5 mAh的放电容量。图6c和6d展示了电池在不同弯曲状态下的充放电性能，结果表明即使在弯曲条件下，电池的性能也未受到影响。图6e展示了电池在折叠和切割等极端条件下的实用性，即使在这些条件下，电池仍能稳定地为LED灯和电动机供电。以上结果表明，该固态铝电池不仅具有优异的电化学性能，还具备良好的机械稳定性和实用性，为未来可穿戴设备和柔性电子设备提供了理想的电源解决方案。

图7 SAB的电化学动力学分析和界面演变

图7a展示了电池在不同扫描速率下的CV曲线，揭示了其电化学反应的可逆性和动力学特性。图7b和7c通过分析电流与扫描速率的关系，表明电池的电化学过程既包括表面赝电容效应，也涉及离子扩散控制的嵌入/脱出反应。图7d至7e利用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）技术，直观地展示了PG正极中离子的分布和嵌入过程，表明PG正极能够有效促进离子传输。图7f-h通过EIS分析了电池界面在不同循环次数下的演变，结果显示界面电阻随循环次数增加而降低，表明界面接触更加紧密。图7i-k通过SEM分析了PSE/PG界面在循环前后的变化，进一步证实了界面的紧密化过程。以上结果表明，通过原位聚合技术构建的SAB不仅具有优异的电化学性能，还能够通过界面优化显著提高电池的稳定性和寿命。

图8 石墨正极材料的微观结构演变

通过透射电子显微镜（TEM）分析了不同石墨正极材料在循环前后的微观结构变化。图8a-c展示了未循环的石墨具有典型的层状结构和清晰的晶格条纹，其层间距为3.281 Å。图8d-f展示了传统涂覆石墨正极在循环200次后的结构变化，层间距增加至3.395 Å，表明石墨体积膨胀明显。图8g-i展示了PG正极在相同条件下的结构变化，其层间距仅为3.283 Å，几乎与未循环的石墨相同，表明PG正极能够有效抑制石墨的体积膨胀。图8j-k对比了传统涂覆石墨正极和PG正极的结构特征，结果表明PG正极通过聚合物封装技术显著改善了石墨的结构稳定性，为固态铝电池的高性能提供了重要保障。

总结展望

作者提出了一种基于原位聚合策略的创新方法，用于制备固态铝电池（SAB）中的聚合物固态电解质（PSE）和聚合物封装石墨（PG）正极。通过原位聚合形成的交联PSE展现出高离子电导率和阻燃性，有效抑制了铝枝晶的生长，并确保了离子的快速、连续传输。同时，交联聚合物骨架能够原位封装石墨，形成无粘结剂的PG正极，显著增强了电极与电解质之间的界面接触，抑制了石墨的体积膨胀，并优化了电化学反应动力学。基于这些优势，所构建的固态铝电池实现了0.67 mAh/cm²的高比容量和超过10000次循环的超长寿命，同时具备高安全性，解决了传统铝电池电解质体系中存在的主要问题。该研究不仅为固态铝电池的发展提供了新的技术路径，还为高性能、高安全性固态电池的设计提供了重要的理论指导和实践参考。未来的研究方向可能包括进一步优化聚合物电解质的组成和结构，探索更高能量密度的正极材料，以及推动固态铝电池技术向大规模储能和柔性电子设备等领域的实际应用。

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来源：高分子科学前沿