顶刊《AM》：首次报道！实现铝基集流体在钾金属电池稳定循环

编辑推荐：本文通过简单的烧结法制备了Al@Al复合集流体，双层铝结构对钾电电解液具有良好的润湿性，从而可以实现金属钾(K)的稳定沉积。该研究为首次在钾金属电池中报道具有稳定性能的铝集流体，开拓了钾电集流体的研究范围，也为后续的集流体的设计提供了一种良好的思路。

金属负极具有极高的比容量，被认为极有可能是二次电池负极的最终形态。而且由于钾金属冶炼工艺的成熟，钾金属的成本远低于锂。因此，研发稳定循环性能的钾金属电池具有极高的商业价值。但是,钾金属负极和其他负极一样，一直没能很好的解决枝晶生长问题。目前报道的相关研究也主要是对铜箔进行改性。

近日，德克萨斯大学奥斯汀分校报道了一种全铝的集流体制备方法，可以大大提高与钾电电解液之间的润湿能力，从而实现了铝基集流体在钾金属电池中的稳定循环。相关论文以题为“Stable Potassium Metal Anodes with an All-Aluminum Current Collector through Improved Electrolyte Wetting”在Advanced Materials上发表。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002908

金属负极在充放电过程中的枝晶生长是目前金属负极体系最大的问题。而由于钾的高活性，钾金属负极的枝晶生长问题更加严重。而目前缓解枝晶问题的主要思路是改善电解液或者设计新型集流体。其中，在锂电池中集流体主要以铜和铝为主。然而铝在钾电池或钠电池中的热力学反应并不好，所以铝基集流体在钾电池和钠电池中极少，这极大地增加了电池的成本（铝成本低于铜，且铝箔厚度更薄）。由于价格优势，目前已经逐渐由学着开始在钠电池中应用并改性铝基集流体，但是目前在钾电池中还没有报道过具有稳定循环能力的铝基集流体。

本文作者针对这一问题，首次研究了并实现了长寿命，高倍率的铝基集流体。由于传统的铝箔被很快证实无法缓冲枝晶问题，所以作者采用铝箔为基体，在上面用铝粉进行简单的烧结，形成了独特的3D Al@Al结构。该集流体可以在0.5 mA cm^-2的电流密度下循环1000次，库伦效率依旧保持98.9%以上，且过电位仅有0.085 V。研究表明Al@Al可以完全被4 M的高浓度电解质所浸润，远高于普通铝箔，这避免了反复沉积过程中3D钾岛屿状纳米结构的形成与SEI膜的反复生长；并且作者最后指出，枝晶生长主要原因就是电解液浸润不彻底导致早期SEI膜的不稳定和树突。

总的来说，作者通过简单的烧结法，改变了铝箔表面的粗糙度，大幅提高了铝作为钾电集流体对电解液的润湿性，从而在钾电池中实现了长寿命、大倍率的铝基集流体的应用。并且指出枝晶生长的关键原因就是集流体上电解液润湿性差，导致前期SEI的不稳定。这一研究不但使铝基集流体在钾电池中应用成为可能，还深入分析了枝晶生长的原因和过程，为未来金属负极材料的设计与研究提供了有力的指导。（文：Today）

图1 Al@Al集流体的SEM、XRD和XPS测试结果。

图2 Al@Al集流体与铝箔的电解液润湿能力测试。

图3 Al@Al集流体在初始沉积阶段的性能与反应过程。

图4对电池测试。

图5半电池测试

图6 循环一次后的SEM分析结果。

图7 不同循环次数后的XPS分析结果。

图8 枝晶生长原因示意图。