南洋理工大学颜清宇教授EnSM：用于构建实用水系铝电池的层压锡铝负极

第一作者：贾贝尔，胡尔海

通讯作者：颜清宇*, 陈建*

单位：新加坡南洋理工大学, 西安工业大学

水系铝金属电池（AAMB）凭借铝（Al）高丰度和高能量密度的特性，已成为储能系统中备受关注的选择。然而，在充电过程中，AAMB面临着Al沉积困难、负极可逆性差、钝化层形成以及竞争性析氢反应（HER）等挑战。缓解这些问题的一种前景方法是引入外来金属与Al进行相互作用。理论上，所选金属的标准还原电势和功函数应高于Al，以实现Al的欠电势沉积。此外，金属还应与Al表现出良好的相容性，以便形成合金或异质结构。本研究提出了一种有效且低成本的AAMB负极制备策略，并可能为其他水系电池的金属负极的开发提供见解。

近期， 南洋理工大学的颜清宇教授与西安工业大学的陈建教授 合作，在国际知名期刊 Energy Storage Materials 上发表了题为 “Laminated Tin–Aluminum Anodes to Build Practical Aqueous Aluminum Batteries” 的研究文章。该研究引入了一种可扩展的折叠压轧方法，用于制备Sn@Al电极，具有多个显著的优势。选择锡（Sn）的原因在于其适宜的标准还原电势（E°=-0.13 V）、功函数（Φ=4.42 eV）以及与Al的良好相容性，使其适合Al欠电势沉积并增强Al可逆性。此外，局部Al/Sn电偶的形成有效地促进了Al的剥离，改善了电荷转移动力学。

Sn@Al的制备是通过反复折叠和压轧的方法实现的，其中锡箔和铝箔在轧制过程中经历了破碎和重组，形成了交错的层状结构。由于Sn具有出色的延展性和对铝的亲和力，得到的Sn@Al呈现出致密而完整的块状结构，使得Sn和Al骨架能够直接相互作用。通过XPS光谱分析可知，相较于原始的Al箔和Sn箔，Sn@Al表面上Al和Sn的氧化态比例明显降低。这是因为在轧制过程中，金属会经历塑性变形和延展，而脆性氧化层只能通过断裂来应对应力。经过多次轧制的市售铝箔和锡箔使表面氧化层破碎，并均匀分布在整体结构中，从而减少了表面氧化层的存在。

对Sn@Al和Al对称电池进行循环伏安（CV）测试，Sn@Al电极呈现出更为对称的曲线和更高的电流密度，这可以归因于Al剥离/沉积过程的改善。从密度泛函理论（DFT）计算中得知，Al在Sn表面的吸附能明显高于在Al表面的吸附能，表明Al更有可能沉积在Sn上。电化学阻抗谱（EIS）测试显示，Sn@Al对称电池的电荷转移阻抗显著低于Al对称电池。Sn@Al对称电池成功完成超过900小时的平稳循环。Sn@Al电极的卓越性能可以归功于Sn骨架能够为Al欠电势沉积提供丰富的活性位点。此外，Sn和Al形成了局部Al/Sn电偶，有效促进了Al的剥离过程。

Sn@Al电极与AlxMnO ₂ 正极配对，形成的全电池展现出1.5 V的高放电电压平台。在经过75次循环后，其比容量仍然维持在177 mAh g ⁻¹ 。此外，Sn@Al与KNHCF正极也表现出良好的兼容性。为了进一步提升Sn@Al负极性能，可以采用聚合物涂层来抑制HER。尽管聚合物涂层可能会引入一定阻抗并对动力学性能产生影响，但它能够有效阻碍质子的传输，从而保护表面免受HER和腐蚀。经过700次循环后，p-Sn@Al||KNHCF电池显示出82%的容量保持率。抑制Al钝化并通过涂层提供保护，以维持活化和钝化之间的平衡，是实现可逆Al负极的一种有望的途径。

Laminated Tin–Aluminum Anodes to Build Practical Aqueous Aluminum Batteries

颜清宇 教授简介：现任新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院正教授。分别于南京大学和纽约州立大学石溪分校获得学士和博士学位，之后在伦斯勒理工学院进行博士后训练。2008年加入南洋理工大学材料科学与工程学院任助理教授，2018年升为正教授。现任电化学学会新加坡分会主席。自2018年起成为英国皇家化学会会士。在电池、热电材料、电催化等研究领域发表了超过400篇论文（总被引次数超过45000次，h因子114）。