北工大[国家级青年人才/市特聘专家]团队AM：10000次循环的超稳定水系铝离子电池！

第一作者：Kai Du

通讯作者：胡宇翔，马天翼

通讯单位：北京工业大学，澳大利亚皇家墨尔本理工大学

论文速览

水系铝离子电池（AAIBs）因其固有安全性、高理论容量和铝的丰富性，成为电网规模储能的潜在选择。然而，传统正极材料中高电荷密度铝离子与固定晶格之间的强静电相互作用和电荷补偿延迟限制了AAIBs性能的提高。

为了解决这一问题，本研究首次引入高熵普鲁士蓝类似物（HEPBAs）作为AAIBs的正极材料，该材料具有独特的晶格容限和高效的多路径电子传输能力。HEPBAs利用其固有的长程无序和强大的晶格应变场，实现了晶格“呼吸”效应，最小化了晶格体积变化，从而在AAIBs中实现了卓越的长期稳定性（在5.0 A g^-1的电流密度下，经过10,000个循环后容量保持率为91.2%）。

此外，不同金属原子之间的相互作用产生了拓宽的d带和降低的退形性，与常规PBAs相比，增强了电子传输效率，实现了优异的倍率性能（在5.0 A g^-1的电流密度下为79.2 mAh g^-1）。此外，HEPBAs中独特的元素选择性和“鸡尾酒”效应可以方便地调节电化学行为。总体而言，新开发的具有高熵效应的HEPBAs为AAIBs和多价离子电池的发展提供了有希望的解决方案。

图文导读

图1：传统PBA结构与HEPBA材料在具有高电荷密度Al离子的AAIBs中的结构稳定性和多电子传输路径的示意图。

图2：对优化的HEPBA-Cu进行了一系列的结构表征分析。

图3：HEPBA-Cu和双金属PBA的电化学性能。

图4：HEPBA-Cu在AAIBs中的电化学反应机理和理论模拟。

图5：AAIBs的电化学表征。

总结展望

本研究首次在AAIBs中引入高熵效应，并开发了一系列新型的HEPBAs正极材料，这些材料具有显著提升的性能。新开发的HEPBAs通过独特的“晶格呼吸”机制显著解决了传统正极材料由于高电荷密度Al3+与常规宿主结构之间的固有不兼容而引起的严重晶格结构粉化和动力学性能差的问题。通过一系列DFT模拟和概念验证实验，揭示了扩大的d带和降低的退行性，展示了增强的电子传输效率（在5.0 A g^-1时为79.2 mAh g^-1）。

更有趣的是，通过一系列原位表征揭示了得益于独特“晶格呼吸”机制的卓越结构稳定性。HEPBAs能够大幅抑制不可逆的相变，并展示了迄今为止AAIBs报告的最佳长期稳定性之一（在5.0 A g^-1下经过10,000个循环后容量保持率为91.2%）。

此外，高熵超选择性赋予了精细调节电池性能的能力，引入了一种新的“鸡尾酒”效应——这是电化学领域尚未探索的现象。总体而言，这种新型高熵正极材料家族为AAIBs和水系多价离子电池系统提供了一条新途径。

文献信息

标题：High-Entropy Prussian Blue Analogues Enable Lattice Respiration for Ultra-Stable Aqueous Aluminum-Ion Batteries

期刊：Advanced Materials

DOI：10.1002/adma.202404172

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