铝离子预插层Cu9 S5 阴极材料在水系铜铝混合离子电池中的高性能研究

为解决水系铜铝混合离子电池（AHBs）中阴极材料反应动力学迟缓和结构坍塌问题，研究人员通过铝离子（Al3+ ）预插层策略，以CuAl-LDH为前驱体制备了Al-Cu9 S5 阴极材料。该材料展现出优异的倍率性能（463 mA h g?1 @500 mA g?1 ）和循环稳定性（300次循环容量保持率81%），并通过DFT计算揭示了Al3+ 的可逆嵌入机制，为高性能混合离子电池设计提供了新思路。

　　

论文解读

研究背景与挑战

水系混合离子电池（AHBs）因其低成本、高安全性和环境友好性成为储能领域的研究热点。其中，铜铝混合离子电池结合了铜阳极的稳定电位（0.34 V vs. SHE）和铝阴极的高理论容量，展现出独特优势。然而，Al³⁺
的高电荷密度（364 C mm^?3
）和强静电作用导致阴极材料结构坍塌，且反应动力学缓慢，严重制约其实际应用。传统阴极材料如普鲁士蓝类似物（PBAs）和金属氧化物存在导电性差或容量不足等问题，亟需开发新型高性能材料。

研究设计与技术方法

北京化工大学的研究团队提出了一种创新策略：以铜铝层状双氢氧化物（CuAl-LDH）为前驱体，通过溶剂热硫化法制备Al³⁺
预插层的Cu₉
S₅
（Al-Cu₉
S₅
）阴极材料。研究结合原位表征（SEM、XRD）和密度泛函理论（DFT）计算，系统分析了材料结构演变和Al³⁺
存储机制。电池组装采用Cu泡沫阳极和LiCuAl水系电解液，通过恒电流充放电测试评估电化学性能。

研究结果

材料制备与结构特性
Al-Cu₉
S₅
保留了CuAl-LDH的花状形貌（图S1b），EDS证实Cu/Al均匀分布。XRD显示预插层使层间距扩大（图S1a），DFT计算表明Al³⁺
插入使带隙从1.8 eV降至0.9 eV，显著提升电子传导性。

电化学性能
在500 mA g^?1
电流密度下，Al-Cu₉
S₅
展现出463 mA h g^?1
的高容量，1000 mA g^?1
下仍保持408 mA h g^?1
（图2a）。300次循环后容量保持率达81%，优于多数报道的铝离子电池（图2c）。

机制解析
原位XPS和同步辐射证实Al³⁺
在充放电过程中可逆嵌入/脱出（图3d）。DFT模拟揭示预插层Al³⁺
通过静电屏蔽效应降低扩散能垒（0.28 eV→0.15 eV），加速离子传输（图4b）。

结论与意义

该研究通过Al³⁺
预插层策略成功优化了Cu₉
S₅
阴极材料，解决了水系铜铝电池动力学受限的核心问题。其创新性体现在：1）首次将LDH衍生硫化物应用于混合离子电池；2）阐明了Al³⁺
的双重作用（结构稳定剂和活性参与者）；3）为多价离子电池材料设计提供了普适性方法。相关成果发表于《Journal of Energy Chemistry》，对推动高安全、低成本储能器件发展具有重要指导价值。