北京科技大学强玉杰课题组：打造生物质碳量子点“铠甲”，为铝空气电池金属负极构筑绿色防护层

2025-11-26 15:56:16 作者：材料科学和技术来源：材料科学和技术分享至：

第一作者：李育生

通讯作者：强玉杰

通讯单位：北京科技大学国家材料服役安全科学中心

DOI: 10.1016/j.jmst.2025.08.029

全文速览

本研究由北京科技大学、北京理工大学、新加坡国立大学联合完成。科研团队创新性地将槐叶衍生碳量子点（SCDs）引入碱性铝空气电池电解液中，实现了电极界面调控与腐蚀抑制的协同优化。SCDs在铝表面形成稳定的平行吸附膜，有效抑制自腐蚀与析氢副反应，使电池比容量提升至 1538.5 mAh g⁻¹、能量密度达 1800 Wh kg⁻¹。该研究为绿色生物质功能材料在金属空气电池中的高效应用提供了新思路。

研究背景

铝空气电池（Al–air battery, AAB）因其高比能量、铝资源丰富、环境友好等优势，被认为是最具潜力的下一代储能体系之一。然而，电池在碱性电解液中运行时，阳极铝会发生自腐蚀和析氢副反应，导致放电效率下降、能量浪费严重，成为限制其商业化应用的关键瓶颈。

针对这一问题，科研界已提出多种缓解策略，包括阳极合金化改性、防护涂层构建、油驱体系设计以及电解液优化等方法。前几种方案虽能在一定程度上提升电极稳定性，但往往面临制备工艺复杂、成本高、体系兼容性差等局限。相较之下，电解液添加剂法因其操作简便、成本低、易调控等优势，成为当前研究的热点方向。

然而，现有电解液添加剂仍存在多重不足：

一是高效性依赖于高浓度添加，容易导致电导率下降、极化加剧等副作用；

二是多数有机分子或无机盐添加剂存在环境友好性差、可再生性低的问题，与绿色储能理念相悖；

三是在强碱体系中，传统有机添加剂易发生分解或吸附不稳，导致缓蚀效果随时间衰减；

四是缺乏对分子层面界面调控机制的深入理解，使得添加剂设计仍以经验为主。

因此，亟需开发一种兼具高效缓蚀、结构可调、环境友好的新型添加剂，实现对铝空气电池阳极/电解液界面的精确调控，为实现高能量密度与长寿命并存的绿色电池体系奠定基础。

本文亮点

（1）绿色原料、低成本制备：以自然可再生的槐叶为碳源，不仅降低了制备成本，还赋予材料优异的环境友好性和可持续性，契合“双碳”战略背景。

（2）多官能团协同吸附机制：SCDs富含C、O、N、S等异质原子官能团，能在铝表面形成稳定的平行吸附膜；通过Al–O、Al–S配位作用实现界面致密化，有效阻断阳极溶解与析氢副反应。

（3）性能显著提升：在仅0.2 g·L⁻¹的低浓度下，SCDs即可实现41.5%的缓蚀效率与1.5–1.9倍的阳极寿命延长；同时比容量提升至1538.5 mAh·g⁻¹、能量密度达到1800 Wh·kg⁻¹，远超未添加体系。

（4）实验—理论协同揭示机理：结合电化学测试、表面谱学分析与密度泛函理论（DFT）计算，系统揭示了SCDs在Al(111)晶面上平行吸附—电子重分布—界面钝化的多尺度作用机制，为未来电解液添加剂的分子设计提供了新范式。

图文解析

图1. SCDs的制备与表征。(a) SCDs的制备流程示意图；(b) 原子力显微镜（AFM）图像；(c) 透射电子显微镜（TEM）图像；(d) TEM图像的粒径分布分析；(e) 傅里叶变换红外光谱（FTIR）；(f)–(i) X 射线光电子能谱（XPS）图谱。

图2. SCDs对电解液性能的调控作用。(a) 开路电位（OCP）曲线；(b) Nyquist 阻抗图；(c)–(d) Bode 图；(e) 动电位极化曲线；(f) 电化学阻抗谱的等效电路拟合模型；(g) 析氢测试装置示意图。(h) 析氢实验结果；(i) 电化学稳定性测试结果。

图3. SCDs 对铝空气电池（AABs）放电性能的影响。(a) 铝空气电池的结构示意图；(b) 实验装置实物照片；(c) 红外热成像图；(d) 极化曲线及对应的功率密度图；(e) 阶梯放电曲线；(f) 间歇放电曲线；(g) 极限放电曲线；(h) 比容量变化曲线；(i) 性能对比图；(j) 铝空气电池驱动电子设备的实物照片。

图4. SCDs 对铝空气电池优化机理示意图。(a) 优化后的吸附结构：上图为侧视图，下图为俯视图；(b) SCDs/Al(111) 体系的Z方向与三维差分电荷密度分布图；(c) 电子局域函数（ELF）分布；(d) SCD/Al(111) 的态密度（DOS）图；(e) 作用机理示意图。

总结与展望

本研究创新性地提出了利用生物质碳量子点（SCDs）调控铝空气电池电极界面的新策略，首次实现了界面调控与缓蚀性能的协同优化。实验与理论结果表明，SCDs 分子可在铝表面形成稳定的平行吸附膜，通过Al–O / Al–S 配位与电子重分布，有效抑制阳极溶解和析氢反应，显著提升电池稳定性。在仅 0.2 g·L⁻¹ 的低浓度下，SCDs 即实现1.9 倍阳极寿命提升，并使能量密度达 1800 Wh·kg⁻¹。研究为绿色碳量子点材料在储能体系中的应用提供了新思路，也揭示了“绿色分子设计—界面吸附—性能响应”的内在关联。未来，该方法可拓展至锌空气电池、水系金属电池及燃料电池等体系，为构建高性能、长寿命的绿色储能器件提供可持续的发展路径。

作者介绍

强玉杰，北京科技大学国家材料服役安全科学中心（主任：庞晓露）副教授，新加坡国立大学访问学者。主要从事绿色缓蚀新材料、金属空气电池、水系金属电池等研究。32岁起入选“科睿唯安”全球高被引科学家，28岁起入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家，获中国科协青年人才托举工程、先进材料青年科学家出版工程及之江实验室国际青年人才。主持国家自然科学基金面上/青年基金、国家外专项目，20余项省部级和央企产学研攻关项目。累计发表SCI论文100余篇，第一/通讯作者SCI论文80余篇（18篇腐蚀顶刊Corrosion Science，6篇JMST，累计24篇ESI高被引论文），总被引超1.2万次，H因子53。公开15项中国、荷兰、美国等国家发明专利。荣获 “北京榜样”、“北京青年榜样”、《科学中国人》“年度科技新锐”。相继获中国腐蚀与防护学会科学技术奖一等奖、贵州省科学技术进步奖、中国发明协会发明创业奖创新奖、中国表面工程协会科学技术奖、中国百篇最具影响国际学术论文、JMST优秀论文特等奖。

课题组长期招聘博士后与硕博研究生，欢迎具有水系金属电池、腐蚀与防护或计算模拟背景的青年才俊加入！

引用本文

Yusheng Li, Ziyang Guo, Wenyue Zhang, Seeram Ramakrishna, Yujie Qiang, Interfacial regulation of aluminum-air batteries by biomass carbon quantum dots: Corrosion inhibition and electrochemical , J. Mater. Sci. Technol. 255 (2026) 318-328

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。