鉴于铝离子水电池（AAIBs）具有理论容量高、安全和成本低的特点，它在可充电电池中发挥着重要作用。金属铝因其理论比容量高（2980 mAh g-1）和体积容量高（8046 mAh cm-3）而成为 AAIBs 负极的首选。然而，氢演化过程（HER）和铝负极上铝离子的低电镀/剥离效率增加了不可逆性，导致库仑效率（CE）低和循环寿命短。因此，避免铝金属上的副反应和提高铝离子在电镀/剥离过程中的可逆性是 AAIBs 的首要研究课题。通过选择不同的保护层（如 AlxOy、SnO 2和Al@a-Al）进行了大量的实验工作，结果表明这些保护层都能改善循环稳定性。电解液对于水性铝离子电池（AAIB）非常重要。然而，使用传统的铝离子电解质，铝金属负极通常具有较差的电镀/滴落可逆性，导致库仑效率（CE）较低，循环稳定性较差。
来自湖南大学的学者提出了一种以聚乙二醇（PEG）作为溶解铝离子的主要骨架的新型铝离子水溶液，命名为 PEG-Al@H。出色的是，在电静电充电过程中，通过聚乙二醇的聚合作用，在铝金属表面生成了铝电解质界面（AEI）。实验证明，AEI 作为保护层，能有效缓解水性电解质中快速动力学引起的副反应，防止铝金属负极深度腐蚀。此外，PEG 还能破坏电解液中溶剂的氢键，延长 AAIB
mA g 的工作温度。设计出的以 PEG-Al@H 为电解质、六氰基铁酸锰钾为正极、金属铝为负极的全电池可在 500-1 下运行 20000 多个循环，平均 CE 值高于 95%。更重要的是，即使在零下 5 摄氏度的条件下，袋式电池的初始容量也首次达到了 16 mAh，并在循环 5500 次后保持了大约 87% 的容量。相关文章以“Tailoring Interface to Boost the High-Performance Aqueous Al Ion
Batteries”标题发表在Advanced Functional Materials。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202303072
图 1. a) 含聚乙二醇（PEG）和不含聚乙二醇（PEG）的电解质示意图，表明铝电解质界面（AEI）在铝上形成并起到保护层的作用。b) PEG-Al@H 的 MD 模拟轨迹照片；c) PEGAl@H 电解质的径向分布函数和配位数；d) 含有 0.0 wt%、5.0 wt%、10.0 wt% PEG 和去离子水的电解质的傅立叶变换红外光谱。e) 分别含有 0.0 wt%、5.0 wt%、10.0 wt% PEG 和去离子水的电解质的拉曼光谱。f) 电解质离子电导率的比较。
图 2. a) 铝负极在不同 PEG 含量的电解液中运行前后的数码照片；b-e) 不含 PEG 和含 10.0 wt% PEG 的铝电极在 1000 次循环后运行前后的横截面 SEM 图像，e) 是（d）中蓝色虚线框的放大图。0 wt%）的铝负极表面形貌的二维（左）和三维（右）原子力显微镜图像；h) 使用 PEG（10.0 wt%）电解液后铝金属电极表面的扫描电镜图像；i,j) 扫描电镜图像形貌对比；带 AEI 保护层（右上）和不带 AEI 保护层（左下）的 EDS 图谱（O、C、Al）；k) 通过原位光学显微镜观察不同充放电时间下 AEI 的演变。
图 3. a) 基于铝负极的对称电池在含 PEG 和不含 PEG 的电解液中的电压曲线比较；循环条件为 a) 2.5 mA cm-2，容量为 2. 5 mAh cm-2，c) 5 mA cm-2，容量为 2.5 mAh cm-2，e) 1 mA cm-2，容量为 5 mAh cm-2，g) 2.5 mA cm-2，容量为 5 mAh cm-2；b)、d)、f)、h) Al 金属电极在含 PEG 的电解液中运行后的 SEM 图像；横截面（左）和俯视图（右）。
图 4. a) 全电池配置示意图；b) KMF||PEG-Al@H||Al 在不同扫描速率下的循环伏安 (CV) 曲线。插图为各氧化还原峰对数（峰值电流）与对数（扫描速率）的对应图；c) 电流密度为 100 mA g-1 时的电晕静态充放电（GCD）曲线；d) 含 PEG 和不含 PEG 的全电池在 500 mA g-1 时的循环性能。e) 不同特定电流下的速率能力；f) 袋式电池的开路电压；g) 袋式电池在零下温度点亮红色 LED 的光学图像；h) 平均 CE、循环次数和容量保持率与其他工作的比较；i) 袋式电池在零下温度的光学图像；j) 袋式电池在零下温度的光学图像；k) 袋式电池在零下温度的光学图像；l) 袋式电池在零下温度的光学图像。
图 5. a) 1000 mA g-1 下 KMF||PEG10-Al@H||Al 在 -5 ℃ 下的循环性能；b) -5 ℃ 下 袋装电池的 GCD 曲线；c) -5 ℃ 下 袋装电池的长期循环（100 mA g-1）；d,e) 利用二维和三维红外热成像技术观察袋装电池中的温度分布，插图为温度分布直方图。
总之，本研究在酸性水电解质（PEG-Al@H）中加入 PEG，设计出了一种半水凝胶电解质。在充电过程中，PEG 促进了铝负极上铝电解质界面（AEI）的形成。首先，作为保护层，AEI 能有效缓解快速动力学反应引起的副反应，防止铝负极深度腐蚀。由于 PEG 会破坏溶剂的氢键，因此会影响电解液的凝固点。此外，这一结果还将 AAIB 的工作温度扩展到了零下温度范围。我们还研究了 PEG 的优化含量，证实了水凝胶电解质的功能。最终，KMF||PEG10-Al@H||Al全电池在500 mA g-1条件下实现了20000次超长循环，平均库仑效率超过95%，这在AAIBs中十分突出。此外，KMF||PEG10-Al@H||Al 还能在零下温度下运行 5500 次以上，在电流密度为 1,000 mA g-1 时容量保持率达到 87.2%。低温袋式电池还实现了 16 mAh 的高容量，并在零下 5℃的温度下运行了 30 多个循环。这为今后水性铝离子系统的应用提供了可靠的参考。这项工作将有助于为水性铝离子系统的未来应用提供文献参考。（文：SSC）
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