隨著科技的不斷發展，單一的結構材料或功能材料已無法滿足其在民用、航空航天、軍事領域等的應用需求。一種材料承擔多種功能，對于實現航空航天器等的小型化、輕量化、高性能等意義重大。發展結構-儲能一體化復合材料成為備受關注的研究熱點和國際前沿。在依靠可逆氧化還原反應的儲能體系中，鋁離子電池具有成本低、不易燃燒和理論容量大等顯著優點，且穩定的鋁電極-電解質界面避免了鋰金屬或鋰離子系統中常見的界面復雜性，從而可實現達數萬次的可逆充放電循環。鋁離子電池的優越性為開發穩定的新型結構-儲能一體化復合材料提供可靠途徑。

鋁離子電池以穩定的性能和可快速充電能力聞名，使充電時間從數小時減少到數分鐘成為現實。能否進一步將充電時間從幾分鐘縮短到幾秒，同時保持大部分電池容量？目前，研究者們致力于獲得更高的比容量，合成新的碳電極來促進吸附，或尋找經濟性更好的有機電解質，而電解液和電極界面間電荷轉移的內在關系卻很少被關注。如果消除電荷轉移的局限性，這將打破超級電容器和電池之間的界限，使設備兼具高容量和高速率等優點，這也將進一步促進對電極界面雙電層結構理解的深入。

大連理工大學航空航天學院武湛君教授團隊與美國內布拉斯加州立大學林肯分校譚力副教授團隊合作，發現鋁電極和有機電解質界面間的電荷轉移可以被有效加速，鋁單質沉積的位置不再局限于金屬表面缺陷。該團隊證明了通過超臨界干燥處理過的三維碳可使充電鋁離子電池比容量最高達200 mAh/g，接近石墨烯在鋁離子電池中理論容量（圖1）；且當進一步利用液態金屬合金降低陽極能壘后，快速充電速率可達10000 C （0.3秒達到滿容量），為目前報道過最快充電速率（圖2）。更重要的是，電荷轉移速度的提升使更多雙電層中間產物得以發現，為更好的理解雙電層在可充電電池中的作用提供途徑。該研究更是為結構-儲能一體化復合材料的進一步探索奠定了堅實的理論與實驗基礎。

圖1. 超臨界干燥后三維石墨烯電極電池性能

液態金屬是由鎵、銦和錫組成的合金，熔點為12.7 oC。其中，鎵與鋁可互溶，根據比例的不同，組成的混合物中鋁和鎵的形態不同。當液態金屬和鋁相互作用時，部分鋁會融入液態金屬中，以納米鋁顆?；蛟愉X的形式存在（見圖2示意圖）。相對于固態鋁，納米級的鋁顆粒和鋁原子具有更高的反應活性。當其作為電池陽極材料使用時，鋁的生長將不再局限于缺陷，它將在各地無定形邊界上生長，使其可更快速的參與到電池充放電過程所發生的化學反應中，使電池具有更高的倍率性能，降低界面電阻，減少能量消耗。

圖2.液態金屬合金處理的活性電極與純鋁電極性能對比

充電速率的大幅提升為雙電層中新物質的發現提供途徑。該團隊通過原位拉曼技術跟蹤充放電過程中鋁陽極表面元素變化，發現在大電流高速充電情況下有新的三配體物質參與反應（見圖3）。該結果打破了對鋁離子電池反應原理的常規認識，使雙電層在電化學反應中的作用得到更深入理解，為將來設計更高速充電設備提供理論思路。

圖3. 原位拉曼跟蹤活性鋁陽極

這一成果近期發表在Nature Communication 上（Nat. Commun., 2021,12，820），文章的第一作者為大連理工大學申薛靖博士和孫濤副研究員，通訊作者為大連理工大學武湛君教授和美國內布拉斯加州立大學林肯分校譚力副教授。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21108-4