具有更高存储容量的铝离子电池

铝离子电池被视为使用稀缺且难以回收的原材料(如锂)的传统电池的有前途的替代品。这是因为铝是地壳中最常见的元素之一，更容易回收，而且比锂更安全、更便宜。然而，这种铝离子电池的开发仍处于起步阶段，因为仍然缺乏提供足够存储容量的合适电极材料。以Gauthier Studer为首，乌尔姆大学Prof. Dr. Birgit Esser和Prof. Dr. Ingo Krossing以及Prof. Dr. Anna Fischer领导的研究团队弗莱堡大学现已开发出一种正极材料，该材料由基于吩噻嗪的有机氧化还原聚合物组成。在实验中，使用这种电极材料的铝电池存储了以前未达到的每克 167 毫安时 (mAh/g) 的容量。因此，有机氧化还原聚合物的容量超过了石墨，石墨目前主要用作电池的电极材料。结果发表在《能源与环境科学》杂志上。

电极材料插入复杂的铝阴离子

电极材料在电池充电期间被氧化，从而吸收复杂的铝酸根阴离子。通过这种方式，有机氧化还原聚合物聚(3-乙烯基-N-甲基吩噻嗪)设法在充电过程中可逆地插入两个 [AlCl 4 ] -阴离子。研究人员使用离子液体乙基甲基咪唑氯化物作为添加了氯化铝的电解质。“铝电池的研究是一个令人兴奋的研究领域，对未来的储能系统具有巨大的潜力，” Gauthier Studer说。“我们的重点在于开发具有高性能和可逆特性的新型有机氧化还原活性材料。通过研究聚(3-乙烯基-N)的氧化还原性质-甲基吩噻嗪)在基于氯铝酸盐的离子液体中，我们通过首次展示基于吩噻嗪的电极材料的可逆双电子氧化还原过程取得了重大突破。”

在 10 C 下进行 5,000 次充电循环后，电池可保留 88% 的容量

聚(3-乙烯基-N-甲基吩噻嗪)在 0.81 和 1.65 伏的电势下沉积 [AlCl 4 ] -阴离子，并提供高达 167 mAh/g 的比容量。相比之下，铝电池中作为电极材料的石墨的放电容量为120 mAh/g。经过 5,000 次充电循环后，研究团队展示的电池在 10 C 时仍有 88% 的容量，即以 6 分钟的充电和放电速率。在较低的 C 速率下，即较长的充电和放电时间，电池会恢复到其原始容量不变。

Birgit Esser说：“凭借其高放电电压和比容量，以及在快速 C 倍率下出色的容量保持能力，这种电极材料代表了可充电铝电池发展的重大进步，从而代表了先进且价格合理的储能解决方案。” .

事实概述：

原始出版物：G. Studer、A. Schmidt、J. Büttner、M. Schmidt、A. Fischer、I. Krossing 和 B. Esser，在以双电子吩噻嗪氧化还原聚合物为正极的高容量铝电池上，能源环境。科学。, 2023, DOI: 10.1039/D3EE00235G

Gauthier Studer正在乌尔姆大学有机化学 II 和先进材料研究所攻读博士学位。

Birgit Esser教授担任乌尔姆大学有机化学 II 和先进材料研究所有机化学主席。她是乌尔姆大学锂存储后卓越集群(POLiS)和弗莱堡大学生活、自适应和能源自主材料系统 ( liv MatS) 的成员。

Ingo Krossing教授担任弗莱堡大学无机和分析化学研究所分子和配位化学主席，并且是卓越生活、自适应和能源自主材料系统集群 ( liv MatS)的成员。

Anna Fischer教授博士担任弗莱堡大学无机和分析化学研究所功能无机材料主席，并且是 livMatS 卓越集群的发言人。

该项目由德国研究基金会 (DFG)(SPP 2248 中的 AMPERE 项目 - 聚合物电池、POLiS - EXC 2154、liv MatS - EXC 2193)以及德意志联邦环境基金会、bwForCluster JUSTUS 2、the Eva Mayr-Stihl-Stiftung (Saltus!) 和 Land Baden-Württemberg (bwHCP)。