近年来，以电化学方式储能的电池由于能源利用效率高、使用灵活和高响应速度等优点成为了高效灵活储能的重要选择之一。已商业化的可充电电池包括锂离子电池、铅酸电池和镍镉电池等，锂离子电池由于高能量密度、低维护成本等优势在电化学储能领域占据最大市场份额。但受限于低原材料储量、高成本和潜在的安全隐患，锂离子电池在全球储能市场的发展受到一定影响。而铅酸电池和镉镍电池则因比能量较低，使用寿命短，对环境污染较为严重等诸多缺点，难以满足国家“双碳目标”发展战略的要求。因此，寻找一种原材料储量丰富、高安全性和高稳定性的下一代电化学储能电池势在必行。在这一需求下，钠、镁、铝、钾、钙、锌等金属离子电池逐渐成为了各国研究者的研究热点。其中，铝电池由于高理论容量（2981 mA·h·g-1）、高丰度、高安全性和低成本等优点从中脱颖而出。然而，在重复的循环过程中，不均匀的电沉积带来的枝晶问题会导致铝金属阳极的低库伦效率和快速短路失效，这严重阻碍了铝电池的循环稳定性。最近，研究者们已经通过构建人工表面层（SEI层）、调节电解质成分和添加剂以及调控电极结构等方法来引导金属阳极的均匀沉积。这些方法虽然取得了一些成功，但都是通过改变原始铝箔的基础结构或引入新物质来实现的，这不仅增加了电极的成本，而且繁琐的加工过程导致可规模化生产性差。因此，设计一种在持续沉积/剥离过程中能够稳定循环且制备工艺简单的铝阳极材料非常重要。
针对这一问题，西安交通大学杜显锋教授等人通过调节铝晶面的择优取向，报道了一种稳定简单的铝电池阳极制备工艺，并证明了具有高晶格匹配的择优晶面生长机制与铝阳极电化学性能之间的相关性。结果表明，这种具有（111）择优晶面的铝阳极在铝的初始成核和生长过程中起着重要作用。用（111）Al阳极组装的铝电池具有更稳定的沉积形态和更长的循环寿命，并成功实现了高度可逆的沉积/镀覆、无枝晶和高库仑效率。在5A·g-1的电流密度下，具有（111）择优晶面的铝阳极稳定地进行了25000次循环，容量保持率超过80%。这项工作为高稳定性可充电铝电池的发展开辟了道路，对高安全性储能电池的发展具有重要意义。
图1.铝电池负极同构生长和异构生长模式的电沉积示意图
图2.不同择优晶面铝负极组装的世伟洛克电池和软包电池的循环性能
近日，该研究成果以题为Preferred Crystal Plane Electrodeposition of Aluminum anode with High Lattice-Matching for Long-Life Aluminum Batteries（高晶格匹配的择优晶面电沉积模式铝阳极助力长寿命铝电池）发表在国际知名期刊《Nature Communications》（自然通讯）上（影响因子为14.7）。该论文的第一作者为西安交大化学学院博士研究生王世新，论文通讯作者是西安交大化学学院杜显锋教授，西安交通大学为唯一通讯单位。
该研究工作是西安交通大学化学学院杜显锋教授课题组在铝电池领域的又一研究成果，获得国家自然科学基金和陕西省自然科学基金重点项目的支持。西安交大化学学院杜显锋教授长期从事电解电容器、锂（钠）离子电池、铝离子电池、超级电容器、柔性可穿戴传感器的电极材料、电介质、电解质、固体化、柔性化、一体化等研究。目前已在Nat. Commun., Energy Storage Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Chem. Eng. J., Small, J. Mater. Chem. A等国际知名学术期刊上发表相关研究论文80余篇，申请发明专利50余项，并荣获教育部科学技术进步一等奖1项。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50723-0
杜显锋教授课题组主页：
http://gr.xjtu.edu.cn/web/xianfengdu
