综述：高性能铝空气电池的进展：电极与电解质工程策略的全面综述

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Advances in high-performance aluminum-air batteries: A comprehensive review of electrode and electrolyte engineering strategies

铝空气电池通过空气作为阴极反应物实现超高能量密度，但面临铝阳极腐蚀、氧还原反应（ORR）动力学缓慢及电解液稳定性不足等挑战。本文系统总结了电极优化策略，包括合金化、表面修饰和可控微观结构设计以抑制副反应；提出缺陷工程、单原子催化剂及异质结构等创新阴极催化剂设计，提升ORR活性与稳定性；并探索添加剂工程、流体系结构及复合隔膜等电解液优化方法。

　　铝-空气电池（AABs）作为一项革命性的能量存储技术，因其极高的理论能量密度、成本效益和环境可持续性而备受关注。这项技术的核心在于利用金属铝作为负极，空气中的氧气作为正极反应物，从而实现高效的能量转换。然而，尽管其潜力巨大，AABs在实际应用中仍面临诸多挑战，如负极的腐蚀问题、正极的反应动力学限制以及电解液的稳定性问题。因此，近年来的研究主要集中在优化电极和电解液的策略上，以期突破这些瓶颈，推动AABs向商业化迈进。

铝-空气电池的结构通常包括铝负极、空气正极以及电解液。其中，正极由复合结构组成，包含氧气还原催化剂层、多孔电流收集层以及气体扩散层。为了提高正极的性能，通常会在电流收集层表面涂覆疏水性聚合物材料，如聚四氟乙烯（PTFE）或聚偏二氟乙烯（PVDF）。这种聚合物涂层不仅能够增强材料之间的界面结合，还能有效防止水分渗透，从而减少不必要的副反应。此外，正极材料的优化还涉及缺陷工程、单原子催化剂以及异质结构催化剂等先进技术，这些方法能够显著提升氧气还原反应（ORR）的活性，同时增强电池在长期循环中的稳定性。

铝负极在电池运行过程中容易发生腐蚀，主要原因是铝与电解液之间的剧烈反应。这种反应不仅会导致负极材料的快速消耗，还会引发氢气的自发电反应（HER），从而降低电池的效率和寿命。为了解决这一问题，研究者们采取了多种措施，包括使用高纯度铝或高性能铝合金作为负极材料，以及在铝基体表面施加保护涂层和表面改性技术。这些方法能够有效隔离水分，防止其与电极表面接触，从而抑制HER的发生。同时，通过调控铝电极的微结构，可以进一步减少铝与电解液之间的反应速率，提升负极的稳定性。例如，一些研究提出通过调控电极表面的晶格结构或形成保护性氧化层，以减少铝的腐蚀和钝化现象。

电解液在AABs中的作用至关重要，它不仅决定了铝负极的腐蚀程度，还直接影响电池的放电效率。因此，电解液的设计和优化必须与负极材料的特性相匹配。目前，常见的电解液包括碱性电解液和中性电解液，但它们在实际应用中均存在一定的局限性。例如，碱性电解液容易发生pH漂移，而中性电解液则可能因铝离子的溶解而降低离子导电性。为了应对这些问题，研究者们提出了一系列创新策略，如添加剂工程、结构优化以及膜改性等。这些方法能够有效改善电解液的性能，延长电池的循环寿命，同时减少铝负极的腐蚀。例如，通过引入特定的添加剂，可以调节电解液的pH值，防止其在长时间运行后发生剧烈变化；而通过优化电解液的结构，如采用非对称配置或流动系统，可以提高离子传输效率，增强电池的稳定性和效率。

此外，电解液的稳定性问题也是AABs商业化的重要障碍。在长时间循环过程中，电解液可能会发生分解或变质，从而影响电池的性能。为了解决这一问题，研究者们提出了多种改进方法，包括采用新型电解液材料、优化电解液的配方以及引入稳定的膜结构。例如，一些研究尝试使用固态或准固态聚合物电解液，以减少电解液泄漏的风险，同时提高电池的安全性。这些改进不仅能够增强电解液的稳定性，还能提升电池的整体性能，使其更适用于实际应用场景。

在实际应用中，AABs的性能表现取决于多个因素，包括电极材料的选择、电解液的优化以及电池的整体设计。近年来，随着材料科学和电化学技术的进步，AABs的研究取得了显著进展。例如，通过引入多组分复合电极材料，可以有效提高电池的能量密度和循环寿命；而通过调控电极表面的微结构，可以进一步减少铝负极的腐蚀和钝化现象。这些创新策略不仅提升了AABs的性能，还为其实现商业化奠定了基础。

从市场角度来看，AABs具有广阔的应用前景。首先，铝作为地球上最丰富的金属元素之一，其原料储备丰富，生产成本低廉，这使得AABs在成本效益方面具有显著优势。其次，AABs的高能量密度使其成为新一代电动汽车和可再生能源存储系统的重要候选。然而，尽管其潜力巨大，AABs在实际应用中仍面临诸多挑战，如铝负极的腐蚀问题、正极反应动力学限制以及电解液的稳定性问题。因此，未来的研究需要进一步探索这些技术瓶颈的解决方案，以期推动AABs的商业化进程。

在工业应用方面，AABs的潜力正在逐步显现。例如，一些研究团队已经开发出具有高能量密度和长循环寿命的铝-空气电池原型。这些原型在实验室环境下表现出良好的性能，但在实际应用中仍需进一步优化。此外，随着新能源产业的快速发展，AABs在储能和能源转换方面的应用需求也在不断增长。因此，未来的研究需要关注如何提高AABs的性能稳定性，使其能够满足实际应用场景的需求。

综上所述，铝-空气电池作为一项具有革命性的能量存储技术，其发展和应用前景广阔。然而，要实现其商业化，仍需解决诸多技术挑战，包括负极的腐蚀问题、正极的反应动力学限制以及电解液的稳定性问题。未来的研究需要进一步探索这些技术瓶颈的解决方案，以期推动AABs向更高效、更安全、更稳定的储能系统迈进。通过多学科交叉合作，结合先进的材料科学和电化学技术，AABs有望成为新一代新能源系统的重要组成部分。