SSB蓄电池通过正极材料设计推动水系铝离子电池发展：小型综述

2026-04-10 20:05:57

水性铝离子电池（AAIB）因其铝资源的天然丰度、经济性、安全性及高理论体积容量，成为下一代储能系统的理想选择。环保型水性电解质的应用进一步提升了该电池的生产可行性与可持续性。然而，正极材料的性能限制仍是制约AAIB发展的关键瓶颈，因其直接影响电池的容量、能量密度和循环寿命。过去十年的研究进展已实现可逆嵌铝正极材料的开发³⁺通过优化离子传输特性，缓解了离子扩散迟滞、晶格形变和结构退化等问题。本微型综述总结了阴极材料的研究进展，重点探讨了其存储机制、电化学性能、水系电解质中的稳定性以及特征行为。通过对比分析，阐明了结构-性能关联性，并提出了超越材料局限性的新兴设计策略。本文通过整合这些研究成果，旨在指导阴极材料的理性设计，以加速实现高性能水系铝离子电池（AAIBs）的研发目标。

图文摘要

引言

下一代能源需求要求电池技术持续创新，以支持可持续发展、电气化交通和电网整合。锂离子电池（LIBs）在便携式与电网级应用中的广泛使用主导了电池行业。然而，锂离子电池存在诸多缺陷，包括资源稀缺性、锂储量的地缘政治集中化、高昂的生产成本、昂贵的提取与制备工艺，以及不完善的回收基础设施[[1], [2], [3]]。安全顾虑，例如热失控及有限的能量与功率密度，进一步限制了其在下一代系统中的适用性[4]。为此，研究界正积极探索基于地壳丰度金属的替代电池体系，涵盖钠（Na）、钾（K）、锌（Zn）、钙（Ca）、镁（Mg）和铝（Al）等金属。其中，铝离子电池（AIBs）因其显著优势成为下一代电池的理想选择。AIBs的吸引力源于采用铝作为负极材料（图1a），其基于三电子氧化还原反应（即Al ↔ Al³⁺ + 3e⁻）可提供高达2980 mAh/g的理论容量。³⁺+3e^-= Al)（图1b）。铝还具有最高的体积容量（8056 mAh/cm³）³相较于锂离子电池（LIBs），铝离子电池（AIBs）的能量密度具有显著优势（高出四倍），其氧化还原电位达到-1.66 V vs. SHE，展现出可观的应用前景[5]。%%此外，铝是地壳中含量第三丰富的元素，资源储量巨大，这使得铝离子电池具有显著的经济性优势。成熟的铝生产和回收产业链，有效降低了铝离子电池的整体制造成本（相较于锂离子电池）[6]。%%更值得注意的是，铝的高电负性使其可在常压环境下安全操作，无需锂加工所需的干燥室环境[7]。%%这显著降低了设备投入成本，便于与现有电池生产线整合。凭借这些优势，随着研发进程的推进（图1c），铝离子电池有望逐步取代锂离子电池。
根据电解液类型，铝离子电池（AIBs）可分为两类：水性体系（采用水基电解液）和非水性体系（包含熔融盐、低共熔溶剂、离子液体及其他有机溶剂基电解液）[8,9]。在水性与非水性铝离子电池中，水性铝离子电池（AAIBs）因其相较于非水性体系的诸多优势（如图1d所示）已引发广泛研究关注。铝离子电池（AAIBs）采用水性电解质，结合金属铝阳极与可逆嵌脱铝离子的阴极构成充放电体系（图1a）。相较于其他电池体系，AAIBs具有显著优势：成本效益突出、本质不可燃、材料无毒害特性，以及更优异的环境相容性[10,11]。此外，水性电解质的使用提升了离子电导率，既能实现快速充电与高功率密度，又提高了操作安全性并简化了制造工艺。这些特性使得AAIBs成为在安全性、经济性和可扩展性不可或缺的多个领域部署的理想选择。尽管具有这些显著优势，AAIBs的发展已陷入明显的停滞状态，多项挑战仍未得到解决，阻碍了其向实际应用的转化[7,9,[12], [13], [14]]。在众多挑战中，正极材料的精细选择与结构设计是电池性能的主要决定因素。正极材料主导着能量密度、循环稳定性、电压及整体电池效率[15]。高电荷密度Al³⁺离子与阴极主体间产生的强静电相互作用会导致不可逆的结构畸变、迟缓的离子扩散，以及在反复充放电循环中严重的容量衰减[14]。此外，由含AlCl₃、Al₂(SO₄)₃和Al(OTF)₃的电解质形成的酸性环境会溶解并降解阴极材料，从而损害电池性能[8]。这些固有挑战因同时满足以下关键要求的可行阴极材料稀缺而进一步加剧：(1)高比容量，(2)长期循环稳定性，(3)优异的Al³⁺离子扩散这一罕见的三重挑战。克服这些难题需要创新的正极材料工程策略，例如开发开放框架或层状结构以适配铝³⁺插入、缓解机械应变、表面改性以增强稳定性，以及利用复合或掺杂材料提高导电性。同时，优化全电池结构设计对于理解可实现的能量密度和功率密度至关重要。这些策略使得制备具有竞争力能量密度、长循环寿命和更高可靠性的实用AAIB成为可能。本综述系统评述了AAIB正极材料设计领域的最新进展与前景，重点探讨其基本要求、电化学性能、现存挑战、全电池研究及未来发展方向。