鋁金屬因其豐富的自然資源和極高的理論容量（8056 mAh cm^-3）而被認為是水系電池的理想電極材料。然而，由于鋁和 H₂O 在傳統(tǒng)水系電解質(zhì)中產(chǎn)生的一系列副反應(yīng)，包括水分解、鋁腐蝕和鈍化，阻礙了水系鋁金屬電池的發(fā)展。

在此，復(fù)旦大學(xué)余學(xué)斌團隊報道了通過在三氟甲磺酸鋁的水系環(huán)境中引入極性吡啶-3-羧酸來優(yōu)化 Al³⁺ 的溶劑化結(jié)構(gòu)，從而抑制電解質(zhì)中水的活性。此外，吡啶-3-羧酸分子可改變鋁的表面能，從而抑制鋁的隨機沉積。因此，鋁在混合電解液中的腐蝕受到了抑制，電解液的電化學(xué)穩(wěn)定性也大大提高。

基于此，鋁預(yù)插層 MnO₂ 正極的水系鋁電池可實現(xiàn)顯著的可逆性，在 0.2 A g^-1 的條件下，循環(huán) 600 次后能量密度仍能保持在大于 250 Wh kg^-1 的水平。

圖1. Al(OTf)₃-PCA電解質(zhì)體系的MD模擬

總之，該工作利用混合電解質(zhì)中的極性溶劑PCA和溶解的Al³⁺發(fā)生了強烈的相互作用，從而調(diào)節(jié)了溶劑化結(jié)構(gòu)，使水的分解在熱力學(xué)上變得不利，從而提高了電池的電化學(xué)穩(wěn)定性。此外，由于H₂O的活性受到限制，HE-0.6 中的鋁負極表現(xiàn)出了卓越的倍率性能和長循環(huán)性能，其中鋁/鋁對稱電池在 0.1 mA cm^-2的電流密度下可穩(wěn)定工作1100 小時。

優(yōu)化的Al溶劑化結(jié)構(gòu)和PCA與H₂O之間的強插層提高了水合Al³⁺的活性，從而保持了Al_xMnO₂的電化學(xué)穩(wěn)定性，在Al//HE-0.6//Al_xMnO₂ 全電池中顯示出 600 個循環(huán)，這表明 PCA 在提高 AAIB 性能方面具有顯著效果。

圖2. 電池性能

Solvation Structure Regulation for Highly Reversible Aqueous Al Metal Batteries, Journal of the American Chemical Society 2024 DOI: 10.1021/jacs.3c13003