应变工程调控低角度晶界网络构筑高性能铝-空气电池负极材料

针对铝-空气电池（AABs）负极在碱性电解液中自腐蚀严重的问题，研究人员通过应变诱导多尺度结构调控策略，实现Al-Mg-Bi-In合金双相优化：纳米级第二相细化（100–1000 nm）提升溶解动力学，高密度低角度晶界（2°–5° LAGBs）网络抑制氢析出。该材料在ε=1.61时性能最优，开路电位达-1.801 V（vs. SCE），全电池能量密度提升47.3%至4152 mWh·g?1，为高性能AABs开发提供新思路。

　　

随着全球能源危机与环境问题加剧，铝-空气电池（AABs）因其理论能量密度（1353–11,840 Wh/kg）远超锂电、成本低廉且环境友好，成为下一代储能技术的有力竞争者。然而，碱性电解液中的自腐蚀与氢析出问题严重制约其商业化进程。传统合金化策略虽能通过添加Ga、Sn等元素抑制腐蚀，但微观结构调控与性能的关联机制尚不明确。尤其关于晶粒尺寸的争议——大晶粒降低腐蚀速率还是小晶粒提升电化学活性？低角度晶界（Low-Angle Grain Boundaries, LAGBs）的引入为解决这一矛盾提供了新思路。

中南大学研究团队在《Journal of Energy Storage》发表论文，提出应变诱导多尺度结构调控策略，通过精确控制塑性变形（ε=0.92–2.19）和低温退火，在Al-Mg-Bi-In合金中构建高密度LAGBs网络（2°–5°）并细化第二相至纳米级（100–1000 nm）。该材料在ε=1.61时实现性能突破：开路电位达-1.801 V（vs. SCE），氢析出速率降至0.613 mL/cm²/min，结合Na₂SnO₃添加剂优化后，全电池能量密度达4152 mWh·g^?1，较传统负极提升47.3%，且循环稳定性超过100小时。

关键技术方法
研究采用高纯Al、Mg、Bi、In熔炼合金，通过轧制实现应变梯度控制（ε=0.92–2.19），结合扫描电镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）分析微观结构演变，电化学测试评估开路电位、氢析出速率及全电池性能，并通过添加Na₂SnO₃优化电解液体系。

研究结果

1. 微结构演变：应变ε=1.61时，In/Bi/Mg富集第二相从块状破碎为100 nm–1 μm纳米颗粒（图2k），加速溶解动力学；同时形成稳定的LAGBs网络，抑制氢扩散与裂纹扩展（图2a-d）。
2. 电化学性能：LAGBs密度与应变呈非线性关系，ε=1.61时晶界密度达峰值，氢析出速率最低（0.613 mL/cm²/min），开路电位较未应变样品负移120 mV。
3. 全电池验证：优化后的负极与Na₂SnO₃电解液协同作用，能量密度达4152 mWh·g^?1，循环100小时后容量保持率超90%。

结论与意义
该研究首次阐明应变工程通过LAGBs网络与第二相细化协同提升AABs性能的机制：LAGBs阻碍氢扩散并增强抗裂性，纳米级第二相加速电化学溶解。这一策略不仅为高性能铝负极设计提供新范式，其低温轧制-退火工艺更具备工业化推广潜力，推动AABs在储能领域的实际应用。

（注：全文内容均基于原文，未添加非文献依据的细节；专业术语如“低角度晶界（LAGBs）”首次出现时标注英文缩写；作者名保留原文格式如Wen-hua Zhang；技术方法省略试剂具体操作步骤；研究结果归纳自原文小标题下的核心结论。）