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第一作者：张渤，李治国，韩大量，闵志雯
通讯作者：杨全红，翁哲，韩大量
通讯单位：天津大学
DOI: 10.1038/s41893-025-01706-6
【研究背景】
向清洁能源的转型迫切需要发展锂离子电池之外的新型或互补电池体系。铝金属电池（AMBs）凭借铝负极超高的理论比容量（2981 mAh g−1、8056 mAh cm−3）、丰富的地壳储量、低成本以及三电子转移特性，在下一代储能技术中展现出巨大潜力。然而，当前铝金属电池技术严重依赖于能够构建高阶氯铝酸盐阴离子（AlnCl3n+1−，n≥2）的电解液体系（如AlCl3/[EMIm]Cl离子液体），这类电解液虽能实现铝的可逆沉积/溶解，却存在高腐蚀性、高成本、高粘度和动力学迟滞等问题。更严重的是，此类电解液的强腐蚀性会导致电池金属组件（如集流体、极耳、密封材料等）快速劣化，严重阻碍了铝金属电池的实用化进程。因此，开发兼具低腐蚀性、高可逆的新型电解液体系，成为铝金属电池实用化的关键突破口。
【成果简介】
日前，天津大学Nanoyang团队在《Nature Sustainability》发表重要研究成果，该研究提出了一种全新的“有机双氯”电解液设计策略，以氯化铝/正丙醚（AlCl3/DPE）有机体系替代传统离子液体，有效解决了铝金属电池长期面临的腐蚀性难题，为实现实用化铝金属电池迈出重要一步。通过对有机溶剂溶剂化能力的精确筛选与调控，构建了独特的“有机双氯”溶剂化结构（AlCl2(DPE)2+），不仅显著降低了电解液的腐蚀性，还保持了优异的铝沉积/溶解可逆性。实验表明，该电解液对不锈钢、铜等多种金属集流体表现出极低的腐蚀速率，同时实现铝金属负极超过2000小时的稳定循环和高达99.85%的铝沉积/溶解库伦效率。基于该电解液的铝金属电池展现出优异的循环稳定性，可稳定运行300次以上。这一突破性进展为铝金属电池的实用化铺平了道路，也为其他多价金属电池电解液设计提供了全新思路。该研究成果以“Non-corrosive organodichloro electrolyte for reversible aluminium metal batteries”为题于12月4日发表在Nature Sustainability（DOI: 10.1038/s41893-025-01706-6）上。
【图文导读】
要点1 电解液设计与溶剂化结构分析
图1 | 溶剂筛选与电解液结构解析
作者通过有机溶剂分子静电势分析与铝沉积动力学测试，筛选出正丙醚（DPE）作为最优溶剂，其在“火山图”中位于动力学性能顶点（图1a），表明溶剂的适度溶剂化能力对于铝的沉积动力学至关重要。通过核磁、拉曼、质谱、理论计算与分子动力学模拟，证实AlCl3/DPE电解液中的阴离子主要为AlCl4−，而阳离子则为“有机双氯”溶剂化结构的AlCl2(DPE)2+，区别于传统离子液体和其他有机电解液。尽管所有有机电解液中均含有AlCl4−阴离子，但是不同电解液体系中的阳离子物种却不尽相同。作者发现“有机双氯”AlCl2(DPE)2+溶剂化物种的形成与有机溶剂的溶剂化能力直接相关，在较强溶剂化能力的有机溶剂中（如碳酸丙烯酯(PC)、乙腈(ACN)），电解液中的阳离子以Al(solvent)63+的形式存在，而弱溶剂化能力的有机溶剂对AlCl3盐的解离能力又不足，导致较低的溶解度，只有当有机溶剂的溶剂化能力适中时，Cl−才会与有机溶剂共同进入Al3+的溶剂化鞘层，形成“有机双氯”溶剂化结构的阳离子物种，从而实现较快的铝沉积动力学。
要点2 “有机双氯”的脱溶动力学分析
图2 | 脱溶剂化动力学机制
晶体轨道哈密顿布居（COHP）分析表明，Cl−进入Al3+的溶剂化鞘层后可以显著弱化Al–O键，进而减弱Al3+与溶剂之间的相互作用，有助于降低脱溶剂化能垒（图2a-b）。作者认为Cl−进入Al3+溶剂化鞘层后提升了溶剂化物种的易极化能力。具体而言，有机双氯阳离子AlCl2(DPE)2+相比于其他Al(solvent)63+和AlCl4−低活性物种具有更高的偶极矩（图2c），说明鞘层内正负电荷中心的偏移程度更大，表现出更强的易极化性质，因此更有利于实现界面电荷快速转移，进而实现高效铝沉积。
要点3 铝负极的电化学性能
图3 铝电极在“有机双氯”电解液中的电化学性能
得益于AlCl2(DPE)2+阳离子的高度易极化性质，AlCl3/DPE电解液在0.2 mA cm−2电流密度下实现了低且稳定的铝沉积过电位~120 mV，并表现出均匀致密的铝沉积行为（图3a-b）。采用AlCl3/DPE电解液的Al//Al对称电池在0.1 mAh cm−2下展现出超过2000 h的长循环寿命，性能远优于AlCl3/ACN和AlCl3/PC体系（图3c），并能在2 mA cm−2的高电流密度下稳定工作（图3d）。值得注意的是，采用AlCl3/DPE电解液的Al//Cu非对称电池，在2 mAh cm−2的大面积容量下稳定库仑效率高达~99.85%（图3e）。上述结果表明，含“有机双氯”AlCl2(DPE)2+阳离子的AlCl3/DPE电解液成功实现高度稳定且可逆的铝沉积/溶解。
要点4 电解液腐蚀性表征
图4 电解液腐蚀性表征
腐蚀性评估实验显示，不锈钢集流体在“有机双氯”电解液中浸泡90天后表面依然光亮如新，无明显腐蚀迹象；相比之下，传统的氯铝酸盐离子液体在短短2天内就导致不锈钢严重腐蚀（图4a-c）。电化学测试结果表明，不锈钢在“有机双氯”电解液中的腐蚀电流密度仅为2.8×10−3 mA cm−2，比离子液体中低两个数量级。即使在2 V vs. Al3+/Al的高电位下，不锈钢电极在AlCl3/DPE电解液中仍表现出卓越的稳定性。有机电解液显著降低的腐蚀性可能源于AlCl3盐用量的大幅减少，其AlCl3盐用量仅为传统离子液体体系的约55 wt%。有趣的是，采用相同AlCl3浓度的不同的有机电解液也表现出明显的腐蚀性差异，其中AlCl3/DPE电解液具有最低的腐蚀性。通过核磁等表征发现，AlCl3/PC和AlCl3/ACN电解液中存在自由Cl−离子，而AlCl3/DPE中却没有自由Cl−离子存在，这源于不同溶剂的溶剂化能力差异导致的电解液溶剂化结构差异。具体而言，具有强溶剂化能力的PC、ACN溶剂，在溶剂化过程中对Cl−的竞争性最强，剥夺了Al2Cl6盐周围的Cl−，导致更多的自由Cl−离子存在。相比之下，具有适宜溶剂化能力的DPE分子在诱导Al2Cl6盐不对称裂分过程中同时形成了“有机双氯”AlCl2(DPE)2+阳离子和AlCl4−阴离子，从而将所有腐蚀性的Cl−离子“限域”于Al3+周围，最终构建了无腐蚀有机电解液。
要点5 Al//Mo6S8全电池电化学性能
图5 | 全电池性能与储能机制
最后，作者采用Mo6S8正极与Al负极匹配组装了全电池原型器件，以探究AlCl3/DPE电解液与正极的兼容性和在全电池中的适用性。得益于其独特的易脱溶AlCl2(DPE)2+阳离子，采用AlCl3/DPE电解液Mo6S8//Al全电池显示出最高的比容量和最小的电压之后（图5a）。27Al谱固体核磁证实了Al3+在Mo6S8中的可逆嵌入/脱出（图5b），并实现稳定循环，300次循环后容量保持率约为75%（图5c），表明该电解液与Al负极和正极均具有出色的兼容性。
总结与展望
该研究突破传统“唯阴离子”活性物种的电解液设计框架，提出了“有机双氯”阳离子AlCl2(DPE)2+为活性离子的电解液设计新思路，这种单价的阳离子溶剂化结构具有高度易极化特性，不仅有利于脱溶剂过程，还能有效束缚腐蚀性游离Cl−离子，有效解决传统阴离子物种电解液的强腐蚀性难题。此外，有机双氯电解液同时解决了传统阴离子电解液在传质与反应动力学之间的固有矛盾：依赖Al2Cl7−还原沉积与AlCl4−嵌入正极的阴离子反应路径，而非含Al阳离子参与的电化学过程。该机制导致每转移3个电子需消耗8个铝原子，严重限制了实际能量密度（图5d）；同时，带负电的电活性物质迁移方向与电场方向相悖，加剧浓差极化。该研究提出的“有机双氯”阳离子AlCl2(DPE)2+作为载流子显著提高了铝离子脱溶剂化效率（每铝原子可利用电子数从0.375个大幅提升三倍至1.5个），同时由于其迁移方向与电场方向一致，确保了活性阳离子的快速高效补充，提升了传质动力学（图5e）。该工作不仅提供了一种新型电解液配方，更开创了基于阳离子活性物种的铝沉积/溶解全新电化学路径，为解决铝金属电池乃至其他多价金属电池中的腐蚀、动力学缓慢、传质受阻等共性难题提供了新的思路。
【团队介绍】
杨全红，天津大学化工学院北洋讲席教授，博士生导师。第十四届全国政协委员，中国化工学会会士，国家杰青、长江学者、万人领军，国家重点研发计划首席科学家、天津市先进碳与电化学储能重点实验室主任、科睿唯安全球高被引科学家。长期从事碳功能材料、先进电池、储能技术和双碳战略研究，引领了致密储能、锂硫催化、筛分储能等研究方向。发表SCI论文400余篇，他人引用60,000余次，H因子128。授权中国和国际发明专利60余件。获国家技术发明二等奖、天津市自然科学一等奖（两项）等奖项。担任《Energy Storage Materials》等3份期刊副主编，《Advanced Energy Materials》、《National Science Review》等10余份刊物编辑组成员或编委。
翁哲，天津大学化工学院，菁英教授，博士生导师，入选国家高层次海外青年人才计划。主要从事锌离子电池、电催化二氧化碳还原等电化学工程应用方向，聚焦其中电化学界面的过程强化研究，包括界面的动态演变机制、定制化设计以及原位构筑。在Nat Sustain, Nat Commun, J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed, Adv Mater, Energy Environ Sci等国际权威学术期刊发表SCI一区论文50余篇，被他引9600余次，授权发明专利7件，参与制定水系金属离子电池团体标准2项；获2024年天津市自然科学一等奖1项（排名第三）、2024年中国青年科技奖天津市提名；主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、天津市自然基金面上项目等多项省/部级项目；任Journal of Electrochemistry（电化学）、Renewables、Materials Reports Energy、Green Carbon等期刊青年编委。
韩大量，天津大学化工学院副研究员，博士生导师，入选国家级青年人才支持计划。主要从事水系和多价金属电池相关研究，以第一/通讯（含共同）作者在Nat. Sustain.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Chem、Energy Storage Mater.等高水平期刊发表论文20余篇，被引4300余次；获天津市自然科学一等奖、Nano Research Energy学术新星金奖等荣誉；主持国家自然科学基金面上和青年项目、国家重点研发计划子课题、中国博士后科学基金特别资助项目和面上项目、天津市自然科学基金等多项基金；担任eScience、Energy Materials and Devices、Nano-Micro Letters、Carbon Neutralization等多份期刊青年编委。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41893-025-01706-6
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