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鋁電池具有成本低、容量大、安全等優點，具有很大的可再生能源存儲潛力。高能量密度和對波動電力的適應性是主要的挑戰。

在此，北京科技大學焦樹強&王明涌團隊基于新型分層多孔無枝晶碳氣凝膠膜（CAF）負極和集成石墨復合碳氣凝膠膜（GCAF）正極構建了一種用于快速存儲波動能量的輕質鋁電池，證實了CAF負極上含O官能團的新誘導機制可實現均勻的Al沉積。與傳統涂層正極相比，GCAF正極由于石墨材料的負載質量極高（9.5–10.0 mg cm^-2）而具有更高的質量利用率。

同時，GCAF正極的體積膨脹較小，從而具有更好的循環穩定性。輕質的CAF‖GCAF全電池由于其分級多孔結構，可以很好地適應大且波動的電流密度。同時獲得了2000次循環后的高放電容量（115.6 mAh g^-1）和高電流密度下的短充電時間（7.0 min）。

圖1. 通過吸附AlCl_3-x^x+離子，含氧官能團在CAF負極上誘導鋁沉積的新機制

具體而言，該工作設計了一種新型自支撐分層多孔CAF作為負極和GCAF作為正極來構建輕質鋁電池。CAF作為主體負極，在2500小時內表現出穩定的沉積/剝離行為。基于CAF上的含O官能團和AlCl_3-x^x+離子之間的有效吸附，提出并證實了一種無枝晶Al沉積的新誘導機制，從而產生了豐富且均勻的Al沉積活性位點。此外，具有高載量（約10.0 mg cm^-2）的集成GCAF正極在900次循環后表現出較大的比容量（111.4 mAh g^-1），并且在大循環次數下表現出極高的面容量（1.1 mAh cm^-2）。

特別是，與GP正極50倍的大體積膨脹相比，GCAF正極幾乎不發生體積膨脹。低成本、輕量化的CAF‖GCAF全電池對500~1000 mA g^-1范圍內的波動電流具有良好的適應性，并具有7.0 min的快速充電能力。在1000 mA g^-1的高電流密度下循環2000次后，放電容量保持在115.6 mA g^-1。因此，該工作促進了快速存儲波動的高能量密度鋁電池的發展。

圖2. 高容量、波動、大電流密度快速充電CAF‖GCAF全電池

Carbon Aerogel Lightweight Al Battery for Fast Storage of Fluctuating Energy, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202303943

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焦樹強/王明涌AM：用于快速存儲波動能量的碳氣凝膠輕質鋁電池

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