鋁是一種很有前景的鋰離子電池負(fù)極材料,因?yàn)樗哂泻芨叩睦碚撊萘俊⒘己玫膶?dǎo)電性和自然豐度。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院唐永炳等首次認(rèn)識到并研究了微米級鋁負(fù)極的異常尺寸依賴性。圖1. 不同樣品的電化學(xué)性能在此,作者研究了直徑為1至128微米的鋁顆粒,它們分別被標(biāo)記為I(1微米)、II(3微米)、III(5.7微米)、IV(15.6微米)、V(65.6微米)和VI(128微米),并測試了鋰金屬作為對電極的半電池。研究顯示,樣品V和VI的充放電曲線幾乎相互重疊,充電容量為~1015 mAh g-1,并表現(xiàn)出寬的放電和充電平臺(~0.27 V/0.43 V vs. Li/Li+),這是典型的LiAl相的形成。隨著直徑的減小,樣品I的放電/充電平臺縮小,甚至消失,這表明LiAl相的形成受到了嚴(yán)重的抑制。受阻的反應(yīng)動力學(xué)可以通過極化電壓得到進(jìn)一步證實(shí),極化電壓從樣品I到IV不斷下降,而對于樣品IV、V和VI幾乎保持不變。這里,極化電壓表明充電和放電平臺之間的差異。圖2. 不同樣品的表征通過實(shí)驗(yàn)和理論分析,作者認(rèn)識到影響不同鋁顆粒的兩個關(guān)鍵因素:第一個因素是,對于較小的鋁顆粒(<~10 μm)來說,表面氧化層的體積分?jǐn)?shù)很大,這將嚴(yán)重阻礙電子傳輸;另一個是由于溶劑分子對氧化層的親和力低,表面氧化層的電解液潤濕性差。此外,作者證明極性氨基的接枝是改善電解液潤濕性的一種有效方法。總之,這項(xiàng)工作揭示了鋁負(fù)極的關(guān)鍵限制和基本機(jī)制,這對其實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要,同時該結(jié)果對有類似問題的其他金屬負(fù)極也有價(jià)值。圖3. 極性氨基接枝鋁顆粒的示意及性能Unusual Size Effect in Ion and Charge Transport in Micron-sized Particulate Aluminum Anodes of Lithium-ion Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202208370