用于電化學儲能的鋁離子電池（AIBs）具有相對較高的理論比容量、重量輕、零污染、安全、價格低廉和資源豐富等優(yōu)點，因此是相對較新的研究熱點。特別是，3電子氧化還原反應使得AIBs具有實現超快充放電速度的潛力，成為高功率密度可充電電池的最有希望的候選者。為此，總結了AIBs的最新進展以及相應的機遇，挑戰(zhàn)和潛在的研究方向（圖1）。介紹了AIBs的原理，包括鋁的性質，電化學反應和組成部件。基于電化學反應和部件，從不同角度梳理了AIBs的挑戰(zhàn)和前景，包括陽極的設計和保護，電解質的開發(fā)和改性以及陰極材料的選擇和制備。根據AIBs和現有電極材料的要求，全面討論如何獲得高性能的綠色低成本正極材料。
 

圖1 鋁離子電池的機遇，挑戰(zhàn)和潛在研究方向。
 

       鋁離子電池正極、電解液和負極對應的三大挑戰(zhàn)如圖2所示。包括大規(guī)模、低成本正極材料的制備、廉價新型電解液的研發(fā)和負極枝晶和腐蝕問題的解決。
 

圖2 鋁空氣電池的挑戰(zhàn)。
 

       目前常見的幾種鋁空氣電池正極材料綜合比較如圖3所示。比較了碳、過渡金屬化合物和復合材料正極的成本、能量密度、功率密度、環(huán)境友好性和循環(huán)穩(wěn)定性，確定碳材料最具應用潛力。
 

圖3 碳、過渡金屬化合物和復合材料正極的特征比較。
 

       最具應用潛力的碳材料中，比較了金屬有機骨架碳、聚合物碳和可持續(xù)碳的成本、能量密度、功率密度、環(huán)境友好性和循環(huán)穩(wěn)定性，突出了可持續(xù)性碳材料的優(yōu)勢（圖4）。
 

圖4 金屬有機骨架碳、聚合物碳和可持續(xù)碳的特征比較。
 

       根據知網儲能、電子設備和電動汽車的應用需求，展望了鋁離子電池的設計和裝配（圖5）。生物碳材料、多孔負極和混合離子電池可能是將來鋁離子電池研究的重點。
 

圖5 實際應用高性能AIBs的設計和裝配。
 

       Xiaolong Xu, Kwan San Hui, Kwun Nam Hui, Jianxing Shen, Guowei Zhou, Jinhua Liu, Yucheng Sun, Engineering Strategies for Low-Cost and High-Power Density Aluminum-Ion Batteries,Chemical Engineering Journal, 2021, DOI:10.1016/j.cej.2021.129385
 

       作者信息：

       論文第一作者（第一通訊作者）徐小龍博士畢業(yè)于北京工業(yè)大學，師承于汪浩教授；現為齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）材料科學與工程學院直聘副教授，Frontiers in Materials期刊審稿編輯。理論研究方面：從事于電化學儲能材料和器件的研究，主要包括金屬有機框架、電池材料、碳材料、金屬空氣電池、金屬離子電池和鉛酸電池等；應用研究方面：從事于商業(yè)化磷酸鐵鋰正極材料的改性、廢舊鋰離子電池回收處理和鉛酸電池負極改性等研究。在Materials Horizons、Nano-Micro Letters、Chemical Engineering Journal、Journal of Cleaner Production、Journal of Energy Chemistry等國際期刊發(fā)表論文30余篇，H因子為11。