综述：铝-石墨双离子电池：最新进展与挑战

《Green Chemistry》：Aluminum–graphite dual-ion batteries: recent advances and challenges

铝石墨双离子电池（AGDIBs）因其资源丰富、高功率密度和耐温性等优势，成为储能领域的研究热点。本文系统综述了AGDIBs的电极材料、电解液及系统集成进展，指出铝阳极面临腐蚀、枝晶等问题，石墨阴极存在容量瓶颈，电解液稳定性差，且现有研究多集中于实验室优化，缺乏长循环数据支撑。未来需结合界面工程、材料改性及新型电解液开发，平衡性能与成本，推动实用化进程。

　　铝-石墨双离子电池（AGDIBs）作为一种新兴的电化学储能材料，近年来在能源存储领域引起了广泛关注。这种电池的优势在于铝元素的丰富性、低成本、固有安全性以及在宽温度范围内的优异性能。不同于传统的单离子摇椅式电池，AGDIBs通过双离子机制进行工作：铝在铝负极上发生沉积/剥离，而石墨碳正极则进行AlCl??阴离子的嵌入/脱嵌。尽管AGDIBs在材料设计和性能优化方面取得了显著进展，但在负极容量、电解质腐蚀等关键挑战上仍存在亟待解决的问题。本文对AGDIBs的最新进展和持续存在的挑战进行了全面而深入的分析，重点探讨了各组件的创新和性能优化，同时也提出了未解决的问题和未来研究方向。

铝作为负极材料具有独特的优势，其理论体积容量高达8046 mAh cm?3，约为锂的四倍，理论质量容量也达到2980 mAh g?1，仅次于锂。铝的丰富性使其成为大容量储能系统中的理想材料，而其低价格和固有安全性进一步增强了其在储能领域的吸引力。然而，铝负极在强腐蚀性电解质中易发生腐蚀，尤其是在循环过程中，其表面会形成氧化层，这可能会影响电化学性能。此外，铝的沉积/剥离过程中，由于电流密度分布不均，可能会导致枝晶生长，这会降低电池的稳定性和寿命。通过引入人工固态电解质界面（SEI）层，可以有效抑制腐蚀并促进均匀的沉积行为，但这一策略的长期效果仍有待进一步研究。目前，AlCl?/[EMIm]Cl是AGDIBs中最常用的电解质，它不仅提供了良好的离子传输，还能够直接参与电荷存储过程。然而，其强酸性导致的腐蚀问题限制了电池的长期性能和稳定性。

石墨作为正极材料在AGDIBs中表现出良好的电子导电性和可逆的阴离子嵌入能力。然而，其理论容量相对较低，且在循环过程中容易发生结构膨胀，这限制了其在高能量密度电池中的应用。近年来，研究者们通过优化石墨的结构和性能，提出了多种改进方案，如使用高纯度石墨、引入纳米结构和微孔结构等。这些改进使得石墨正极在AGDIBs中展现出更高的容量和更稳定的循环性能。此外，研究还发现，石墨的嵌入机制在不同温度下有所变化，如在低温下，嵌入行为更加复杂，需要对材料的结构和电解质的配比进行精细调控。

在电解质方面，研究者们探索了多种替代方案，如深共晶电解质（DEEs）和凝胶聚合物电解质。这些电解质在一定程度上减少了腐蚀性和提高了安全性，但其离子导电性通常不如传统的AlCl?/[EMIm]Cl电解质。因此，如何在保持良好电化学性能的同时，降低电解质的腐蚀性，成为AGDIBs研发中的关键挑战。同时，电池的其他组件，如电流收集器、隔膜和粘结剂，也需要进一步优化，以适应强腐蚀性电解质的环境。

总体而言，AGDIBs在高功率密度和高能量密度方面具有显著优势，但在实际应用中仍面临诸多挑战。未来的研究应集中在以下几个方面：一是深入理解铝负极的界面化学和SEI层的形成机制，二是优化石墨正极的结构和性能，三是开发兼具功能性和耐腐蚀性的电解质，四是设计系统级的策略以提高电池各组件的耐用性。这些努力将有助于推动AGDIBs在下一代储能技术中的应用。