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通常，活性離子插層后電極會發生體積膨脹，這會顯著降低電極和集流體之間的粘附力。尤其是在鋁離子電池（AIBs）中，大尺寸AlCl₄^–的插層會大大削弱這種粘附力并導致電極與集流體分離，這似乎是一個固有且不可調和的問題。

為此，北京科技大學焦樹強教授等人，以克服上述挑戰。在這個概念中，作者將負電荷結合到集流體的表面以產生與AlCl₄^–運動方向相同的電場并迫使AlCl₄^–遠離集流體方向，從而阻止AlCl₄^–完全到達集流體表面。最終，在電極和集流體之間的界面處形成了一個微小的“死區”，在這個小區域內屏蔽了正極材料并使其不受AlCl₄^–插層和去除反應的影響。

這樣既保證了電極的結構完整性，又穩定了電極與集流體的界面，從而有效地解決了電極與集流體的分層問題。在這項工作中，作者選擇了MXene （Ti₃C₂T_x）薄膜作為首選材料，以證明“死區”概念并實現穩定、輕質、耐用和低成本的AIBs集流體。

圖1. Ti₃C₂T_x薄膜的合成及結構表征

研究證實，大量的OH和COOH基團結合到MXene薄膜的表面上并在其表面形成豐富的負電荷區域，從而屏蔽了正極材料在其“死區”中的AlCl₄^–插層。同時，其粗糙和不平整的表面確保了電極和集流體之間的緊密接觸。此外，Ti₃C₂T_x薄膜具有比其他金屬箔或碳質材料更高的氧化電位。當使用Ti₃C₂T_x薄膜作為集流體時，AIB在100 mA g^-1的電流密度下經過100次循環后的比放電容量保持在約120 mAh g^-1。

甚至，在10 A g^-1的電流密度下，AIB成功實現了高達50000次的循環壽命，這是AIBs非自支撐正極中循環時間最長的。此外，Ti₃C₂T_x薄膜還表現出優異的機械柔韌性，在可穿戴設備應用中顯示出巨大的前景。總之，該研究為實現AIBs的商業化提供了一條途徑，提出的概念還可幫助指導對搖椅電池中集流體的探索。

圖2. 基于Ti₃C₂T_x薄膜集流體的AIB電化學性能

The Negative-Charge Triggered“Dead Zone”Between Electrode and Current Collector Realizes Ultralong Cycle Life of Aluminum-Ion Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202205489

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?焦樹強AM: 電極與集流體間的“死區”實現5萬次循環的鋁離子電池！

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