随着全球能源需求的不断增长，开发高效、安全且经济的储能技术成为当务之急。铝电池因其低成本、高容量以及使用不可燃电解质带来的高安全性，近年来受到广泛关注。然而，传统的离子液体电解质体系下的铝电池存在诸多挑战，例如铝枝晶生长、界面退化以及电解质的腐蚀性等问题，这些问题严重限制了铝电池的实际应用。
为了克服这些挑战，
湖南理工学院
侯朝辉教授
、
李刚勇副教授
、
李芝博士
等
提出了
一种基于原位聚合策略的超稳定固态铝电池（SAB），通过构建交联聚合物固态电解质（PSE）和聚合物封装石墨（PG）正极，有效解决了传统铝电池中的关键问题
。
研究亮点
研究团队通过原位聚合方法制备了具有高离子电导率（4.15×10⁻³ S/cm）和低腐蚀性的PSE，并将其与PG正极结合，实现了PSE/PG和PSE/铝负极之间的良好界面兼容性。这种设计不仅抑制了铝枝晶的生长，还通过聚合物骨架的限域效应显著减少了石墨正极的体积膨胀。实验结果表明，该固态铝电池在0.1 mA/cm²的电流密度下展现出0.67 mAh/cm²的高比容量，并在10000次循环后仍保持稳定的容量，显示出卓越的循环稳定性。此外，这种电池在机械变形和空气暴露条件下仍能正常工作，展现出优异的安全性。相关研究成果以“Long-Lasting Solid-State Aluminum Battery with High-Areal-Capacity Enabled by In Situ Polymerization Strategy”为题发表在《
Advanced Materials
》。
图文解读
图1 液态和固态铝电池的结构示意图
传统液态铝电池（图1a）使用离子液体电解质（ILE），使用隔膜来分隔正负极，这种设计容易导致铝枝晶生长、界面退化和电解质腐蚀等问题。采用传统涂覆工艺制备的石墨正极组装的固态铝电池（图1b）中，尽管使用聚合物固态电解质（PSE）降低了对铝负极的腐蚀，但仍然存在PSE/石墨界面不兼容性、离子/电子传输不匹配等问题。相比之下，当固态铝电池中使用PSE和PG正极时（图1c），不仅解决了液态电池的缺陷，还通过原位聚合技术实现了电解质与活性材料之间的紧密接触，显著提高了电池的稳定性和安全性。图1c特别强调了通过原位聚合策略构建的固态铝电池，其核心在于
通过交联聚合物骨架封装ILE和石墨，从而抑制铝枝晶生长和石墨体积膨胀，
为开发高性能固态铝电池提供了新的思路。
图2 聚合物固态电解质（PSE）的制备与表征
通过将离子液体与单体、交联剂和引发剂混合后进行聚合，制备出具有良好柔韧性和阻燃性的PSE（图2a）。图2b和2c展示了PSE的柔韧性，其厚度仅为0.225毫米，可以轻松缠绕在玻璃棒上并切割成柔性圆片。图2d和2e通过燃烧实验对比了PSE与传统碳酸酯电解质的阻燃性，结果表明，PSE具有优异的非燃性，这对于提高电池的安全性至关重要。通过扫描电子显微镜（SEM，图2f）和X射线能量色散光谱（EDS，图2g）分析揭示了PSE表面的皱纹状结构以及Al、Cl、C和N元素的均匀分布。通过拉曼光谱（图2h）和傅里叶变换红外光谱（图2i）分析进一步确认了PSE的成功合成及其内部的化学结构。上述结果表明，PSE不仅具有良好的机械性能，还具备优异的化学稳定性和离子传导性，为构建高性能固态铝电池奠定了基础。
图3 PSE的电化学性能
图3展示了PSE的电化学性能，重点关注其离子传导性和界面稳定性。图3a通过循环伏安（CV）测试比较了PSE和传统离子液体电解质在铝电极上的电化学行为，结果显示PSE具有更宽的电化学窗口，表明其更高的稳定性。图3b通过理论计算分析了PSE中聚合物与离子液体成分之间的相互作用，揭示了聚合物对PSE稳定性提升的贡献。图3c的电化学阻抗谱（EIS）测试表明，PSE在不同温度下均展现出良好的离子传导性，其室温下的离子电导率为4.15×10⁻³ S/cm，且具有较低的活化能（0.068 eV），这意味着PSE能够快速传导离子。图3d和3e通过离子迁移数测试进一步证明了PSE中阳离子的主导传导作用。图3f至3i则通过长期稳定性测试和表面形貌分析，展示了PSE在抑制铝枝晶生长和均匀腐蚀铝电极方面的优势。这些结果表明，PSE不仅能够有效传导离子，还能显著提高铝电极的稳定性和电池的循环寿命。
图4 聚合物封装石墨（PG）正极的制备与表征
图4a展示了PG正极的制备流程，通过原位聚合技术将石墨封装在交联聚合物骨架中，从而实现与电解质的紧密接触。图4b的拉曼光谱分析确认了PG正极中石墨的存在及其与离子液体的结合。图4c至4g的SEM和EDS分析揭示了PG正极表面的粗糙结构以及Al、Cl、C等元素的均匀分布，表明石墨被成功封装在聚合物中。图4h-m的截面SEM和EDS分析进一步证实了石墨与聚合物之间的紧密接触。图4n和4o展示了PG正极的机械柔韧性，即使经过反复弯曲和扭曲，PG正极仍能保持完整。图4p-r的燃烧实验则证明了PG正极的阻燃性，即使在火焰中加热5秒，PG正极也不会燃烧。上述结果表明，PG正极不仅具有良好的结构稳定性，还具备优异的柔韧性和阻燃性，为固态铝电池的高性能提供了重要保障。
图5 固态铝电池（SAB）的电化学性能
