可充电铝电池(RABs)因其环境可持续性和成本效益而备受关注。然而，在实际应用中却面临阳极枝晶快速生长和腐蚀性离子液体电解质引发的隔膜物理化学不稳定性等问题。铝的金属性质及高活性离子液体电解质（ILs）显著恶化了电解质/阳极界面，导致阳极表面电荷分布不均，引发不可控的枝晶生长。同时，常用的玻璃纤维（GF）隔膜在ILs中仍会发生一定程度的溶解，对RABs的稳定运行构成潜在风险。此外，GF隔膜较大的孔径使其更易受到枝晶的刺穿，造成短路，且其较差的力学性能也限制了电池绕组的灵活性。
当前大量的研究集中在电解质/阳极界面的修饰或电解质设计以抑制枝晶生长。针对铝阳极的界面修饰不仅需要复杂的制造工艺支持，而且还涉及将非活性成分引入阳极，进而影响阳极的整体能量密度；新型凝胶电解质的开发设计缺乏明确的材料与电化学性能之间的关系，还需进一步探讨和研究。通过开发低成本、灵活的GF隔膜替代品，是提升RABs性能的一种方法，它不仅能稳定隔膜/电解质界面的阳极，同时还能降低成本。纤维素作为一种广泛存在于自然界的天然聚合物，具有低成本、可生物降解、可回收、优异的润湿性和易成膜等诸多优势。然而，在暴露于离子液体电解液后，纤维素的氢键会遭到破坏，导致膜和纤维溶解。这种现象会干扰离子通量和通道，影响正常的电化学过程，进一步恶化隔膜/电解质/电极界面的稳定性，使RABs无法实现稳定的循环。因此，解决纤维素的溶解问题是实现其在RABs中稳定应用的关键所在。
针对上述问题，西交大熊礼龙副教授团队提出了一种简单易行的策略，即将TiO2纳米层引入商用纤维素纸（CCP），来制备具有陶瓷涂层的纤维素基隔膜（CCP@TiO2），以解决纤维素在离子液体中的溶解性问题，从而提升其稳定性。通过结合实验与模拟的研究，CCP@TiO2隔膜展现出优异的抗溶解性能及界面极化效应，不仅提供了稳定的阴离子通量和高达0.29的阴离子迁移数，还促进了离子与电荷在隔膜/电解质/阳极界面的均匀分布，从而推动无枝晶的铝沉积。实验结果显示，在0.2 A g-1的循环条件下，组装的Al//石墨全电池经过1000圈循环后仍保持90.3 mAh g-1的放电比容量，而使用玻璃纤维（GF）隔膜的电池放电容量为82.4 mAh g-1。此外，回收利用的CCP@TiO2隔膜组装的电池依然保持98%的容量保持率。这种针对离子液体的抗溶解性与抑制枝晶生长的隔膜设计策略，不仅有望替代商业GF隔膜，也为RABs的稳定运行和可持续发展开辟了一条独特的途径。
该研究成果以题为《用于无枝晶可充电铝电池的抗溶解纤维素基隔膜》(Anti-Dissolving Cellulose-based Separator for Dendrite-Free Rechargeable Aluminum Batteries)发表在国际材料领域权威期刊《纳米能源》（Nano Energy）上（影响因子为16.8），西安交通大学化学学院为唯一通讯单位。该论文的第一作者为西安交通大学化学学院硕士研究生刘怡凡，论文通讯作者是西交大熊礼龙副教授。西交大熊礼龙副教授长期从事功能性材料与器件的应用基础研究工作，主要研究方向包括锂离子电池、铝离子电池、超级电容器、新型介质电容和智能传感材料器件。先后承担了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、中国博士后基金、陕西省博士后基金、中央高校基本科研业务费专项资金以及多项横向合作项目。在 Adv. Funct. Mater., Energy Storage Materials, Nano Energy, J. Power Source, J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater.等国际知名学术期刊和国际会议上发表相关研究论文60多篇。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110140
熊礼龙教授课题组主页：
https://gr.xjtu.edu.cn/web/lilongxiong/home
审核人：张彦峰
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