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可充電鋁離子電池（AIB）由于理論體積容量高、安全性好、來源豐富而備受關注。盡管在探索新型鋁離子電池電極材料方面付出了巨大的努力，但其電化學機制仍有待進一步研究。

圖1. 初始無負極AIB的示意圖結構和原位表征系統

為此，南京大學金鐘教授等人通過將商業石墨紙 (GP) 正極與AlCl₃/[EMIm]Cl 電解液和各種負極集流體 (ACCs)（例如 GP、Mo、Cu、Ag、Ni、不銹鋼和Mg 箔）耦合來組裝AIB。結果表明，不含鋁金屬負極的AIBs仍然可以穩定充放電。

然而，基于不同ACCs的AIBs的電化學性能表現出很大差異，電化學穩定的ACCs（如 GP和Mo箔）表現出與鋁負極相當的良好循環穩定性和高庫侖效率（CE）。相比之下，金屬ACCs易受Cl^–離子腐蝕，在長期循環測試中表現出相對較低的比容量和快速的容量衰減率。

圖2. 無負極AIB的電化學測量

為了進一步研究初始無負極AIB的詳細工作機制，作者系統地進行了一系列原位和非原位光譜表征。在正極方面，原位拉曼和XRD分析證實了在充放電過程中 AlCl₄^–陰離子可逆地嵌入/脫出GP夾層。

在負極方面，異位XRD、XPS、TEM、HRTEM、AES、SEM和EDS分析證實了循環過程中鋁金屬在ACCs表面的可逆電鍍/剝離，基于不同ACC材料的初始無負極AIB在電化學性能上表現出很大差異。

實驗結果表明，對Cl^–離子具有高抗腐蝕能力的碳或金屬基材料可以作為構建初始無負極AIB的ACC材料。這項工作提出了初始無負極AIB的有趣概念并全面研究了詳細的工作機制，揭示了其獨特的工作原理和巨大的應用潛力。

圖3. 基于GP正極和GP ACC的AIB的原位和非原位表征

Initial-Anode-Free Aluminum Ion Batteries: In-depth Monitoring and Mechanism Studies, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.10.044

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南大金鐘EnSM：初始無負極鋁離子電池的深入監測和機理研究

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