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可充電鋁離子電池（AIBs）由于具有高理論體積容量、低成本和高安全性等優點，是未來大規模儲能最有前途的電池技術之一。然而，插層型正極材料的低容量降低了AIB在實際應用中的競爭力。

在此，中科院過程工程研究所張鎖江院士、英國薩里大學蔡瓊等人合成了一種轉化型FeF₃膨脹石墨（EG）復合材料，并將其作為一種具有良好導電性和循環穩定性的新型AIB正極材料。

具體而言，作者通過高能球磨法成功合成了納米級FeF₃并與膨脹石墨（EG）結合，EG用于緩解FeF₃的低離子擴散系數和電子電導率。FeF₃@EG復合材料中半離子和共價C-F鍵的存在表明EG與FeF₃之間存在強相互作用，使其成為FeF₃的高導電支撐基底，進一步緩解了FeF₃體積膨脹帶來的負面影響并阻礙了副產物的溶解。

此外，FeF₃納米顆粒可提供改進的界面電荷轉移、增強的熱力學和動力學以實現Al³⁺插層。為了抑制中間產物FeCl₂的穿梭效應，作者還使用了單壁碳納米管（SWCNT）作為改性隔膜。

??????????????????????????????????圖1. 基于復合正極和改性隔膜的AIB性能

因此，基于該新型復合正極和改性隔膜的AIB在60 mA g^-1的電流密度下表現出712 mAh g^-1的高初始容量，在200次循環后仍保持266 mAh g^-1的比容量且CE約為 95%。通過對其儲能機理的分析表明，Al³⁺在初始放電過程中插層到主體材料中，并作為后續可逆循環的活性材料保留在主體材料中。在充電過程中，Fe被氧化成Fe²⁺并進一步被氧化成Fe³⁺，這些發現對從根本上理解FeF₃正極具有重要意義。

此外，作者發現在轉化型材料及電池配置設計方面還有進一步探索的空間。作者預計本文提出的結果可以幫助學術界及電池行業進一步提高AIB技術，并最終克服儲能領域在開發電網規模儲能裝置方面的挑戰。電網規模儲能的發展將有助于降低儲能成本，從而使電網具有較高的可再生能源滲透率。

圖2. 以轉換型FeF₃為正極材料的AIB的基本儲能機制

High-Performance Rechargeable Aluminum-Ion Batteries Enabled by Composite FeF₃ @ Expanded Graphite Cathode and Carbon Nanotube-Modified Separator, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202200959

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張鎖江院士/蔡瓊AEM：復合正極+改性隔膜實現高性能鋁離子電池！

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