大連理工大學運載工程與力學學部航空航天學院與美國內布拉斯加州立大學林肯分校（University of Nebraska Lincoln）近期在《Nature Communications》合作發表題為“Ultra-fast charging in aluminum-ion batteries: electric double layers on active anode”的研究論文，報道了以液態金屬合金作為陽極的鋁離子電池展現的優異快充性能，及雙電層在促進高速率電荷轉移方面的新作用。文章第一作者為航空航天學院申薛靖博士和孫濤副研究員，通訊作者為航空航天學院武湛君教授和內布拉斯加州立大學林肯分校譚力副教授。
隨著科技的不斷發展，單一的結構材料或功能材料已無法滿足其在民用、航空航天、軍事領域等的應用需求。一種材料承擔多種功能，對於實現航空航天器等的小型化、輕量化、高性能等意義重大。發展結構-儲能一體化復合材料成為備受關注的研究熱點和國際前沿。在依靠可逆氧化還原反應的儲能體係中，鋁離子電池具有成本低、不易燃燒和理論容量大等顯著優點，且穩定的鋁電極-電解質界面避免了鋰金屬或鋰離子係統中常見的界面復雜性，從而可實現達數萬次的可逆充放電循環。鋁離子電池的優越性為開發穩定的新型結構-儲能一體化復合材料提供可靠途徑。
鋁離子電池以穩定的性能和可快速充電能力聞名，使充電時間從數小時減少到數分鐘成為現實。能否進一步將充電時間從幾分鐘縮短到幾秒，同時保持大部分電池容量？目前，研究者們致力於獲得更高的比容量，合成新的碳電極來促進吸附，或尋找經濟性更好的有機電解質，而電解液和電極界面間電荷轉移的內在關係卻很少被關注。如果消除電荷轉移的局限性，這將打破超級電容器和電池之間的界限，使設備兼具高容量和高速率等優點，這也將進一步促進對電極界面雙電層結構理解的深入。
武湛君教授團隊在研究中發現，鋁電極和有機電解質界面間的電荷轉移可以被有效加速，鋁單質沉積的位置不再局限於金屬表面缺陷。在論文中，該團隊報道了可充電鋁離子電池比容量可高達200 mAh/g，接近石墨烯電極極限容量；且當進一步利用液態金屬合金降低陽極能壘後，快速充電速率可達10000 C（0.3秒達到滿容量），為目前報道過最快充電速度。更重要的是，電荷轉移速度的提升使更多雙電層中間產物得以發現，為更好的理解雙電層在可充電電池中的作用提供途徑。該研究更是為結構-儲能一體化復合材料的進一步探索奠定了堅實的理論與實驗基礎。
以上工作得到了高校基本科研業務費（ DUT19ZD101 ）等的大力支持。