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Al³⁺與密排晶體結構之間的強靜電相互作用，以及傳統(tǒng)陽離子氧化還原正極的單電子轉移能力，使得發(fā)展高性能可充電鋁電池極具挑戰(zhàn)性。

為了打破多價金屬離子存儲中晶態(tài)正極容量低、可逆性差的問題，中科院物理研究所索鎏敏、禹習謙研究員提出了一種新的非晶化和陰離子富集策略，不僅可以利用非晶態(tài)結構的優(yōu)點來增強存儲位點和固態(tài)離子擴散，而且實現(xiàn)了通過引入額外的陰離子氧化還原中心，來增強多電子的局部轉移。

【研究過程】

研究人員采用一種簡單的自上而下高能球磨方法合成了一類未被發(fā)現(xiàn)的富陰離子的非晶態(tài)鈦多硫化物（a-TiSx，x=2,3,4）（AATPs）。

在來自研磨球和罐壁的沖擊、壓縮、摩擦和剪切力的作用下，原始結晶顆粒不斷細化變形，形成含有大量缺陷和位錯的亞穩(wěn)態(tài)，不斷斷裂和復合形成研磨過程中的新材料。球磨 48 小時后，原始晶體 TiS2 (c-TiS2) 的典型長程有序晶格邊緣完全消失，取而代之的是直徑為 50 至 200 nm 的非晶態(tài)。 Ti 和 S 元素均勻分布在非晶 TiS3 和 TiS4（a-TiS3 和 a-TiS4）中。

【研究成果】

1）AATPs具有高濃度的缺陷和大量的陰離子氧化還原中心。其中，α-TiS4在可逆容量、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能方面表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，可逆容量高達206 mAh/g，可循環(huán)1000次以上。

2）實現(xiàn)了實現(xiàn) 9.1 × 10-2 S/cm 的高電導率。

3）a-TiS2 的可逆容量為 48 mAh/g，是 c-TiS2（20 mAh/g）的兩倍多，表明非晶結構有利于 Al3+ 存儲。

總體而言，這項研究突出了用于高電荷密度Al3+存儲的非晶態(tài)和富含陰離子的設計，并將為開發(fā)高能量密度多價金屬離子電池開辟一條極有前途的途徑。

此篇文章來自中國科學院物理研究所，納米離子學與能源材料實驗室

ZejingLin, et al, Amorphous anion-rich titanium polysulfides for aluminum-ionbatteries, Sci. Adv. 2021，DOI: 10.1126/sciadv.abg6314