一种绿色高效的氨基酸衍生物添加剂用于提升碱性铝空气电池性能

doi:10.7503/cjcu20250329

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (6): 20250329.doi: 10.7503/cjcu20250329

一种绿色高效的氨基酸衍生物添加剂用于提升碱性铝空气电池性能

郭雷¹(), 苏安康¹, 陈鑫磊¹, 谭伯川², 昙艳¹, 花佳丽¹, 石维¹

^1.铜仁学院材料与化学工程学院, 铜仁 554300
^2.重庆科技大学冶金与动力工程学院, 重庆 401331

收稿日期:2025-11-03 出版日期:2026-06-10 发布日期:2026-02-06
通讯作者: 郭雷 E-mail:chygl@gztrc.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(22062022);铜仁市科技局基础研究项目(批准号: 铜市科研[2024]15号)和铜仁学院研究生创新基金项目(trxyyc-202417);铜仁市科技局基础研究项目(批准号: 铜市科研[2024]15号)和铜仁学院研究生创新基金项目(trxyyc-202523)

A Green and Efficient Amino Acid-derived Additive for Enhanced Performance of Alkaline Al-air Batteries

GUO Lei¹(), SU Ankang¹, CHEN Xinlei¹, TAN Bochuan², TAN Yan¹, HUA Jiali¹, SHI Wei¹

^1.School of Materials and Chemical Engineering，Tongren University，Tongren 554300，China
^2.School of Metallurgy and Power Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China

Received:2025-11-03 Online:2026-06-10 Published:2026-02-06
Contact: GUO Lei E-mail:chygl@gztrc.edu.cn
Supported by:
the Innovation Fund Project for Graduate Student of Tongren University, China(trxyyc-202417);the National Natural Science Foundation of China(22262030);the Project of Tongren Science and Technology Bureau, China([2024]15)

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摘要/Abstract

摘要：

以氨基酸衍生物N-乙酰-DL-色氨酸(NDLT)为添加剂, 研究了其在碱性铝空气电池(AABs)电解液中的作用机制及对电池性能的影响. 通过析氢实验、电化学测试、全电池性能评估及微观形貌表征, 揭示了NDLT对铝合金阳极腐蚀行为与放电性能的调控机理. 结果表明, NDLT可在铝合金表面吸附形成致密的阻水保护膜, 有效阻隔电解液中水分子与铝表面的直接接触, 从而显著抑制铝的自腐蚀和寄生析氢反应(HER), 并改善铝阳极的放电行为. 同时, NDLT的吸附有助于构建均匀稳定的铝/电解液界面, 提高铝阳极的放电电位和电化学反应动力学性能. 在4 mol/L NaOH电解液中, NDLT的最佳抑制浓度为7 mmol/L；此时, 铝阳极利用率可达88.3%. 全电池测试结果显示, 添加7 mmol/L NDLT后, 电池能量密度由空白电解液的1550 W·h/kg显著提升至3448 W·h/kg, 容量密度由1324.9 mA·h/g提高至2632.3 mA·h/g. 为提升碱性铝空气电池的耐用性与能量输出提供了一种绿色高效的电解液调控策略, 并为氨基酸衍生物类添加剂的设计与应用奠定了理论基础.

关键词: 铝空气电池, 界面调控, 电解液添加剂, 氨基酸衍生物

Abstract:

In this study， N-acetyl-DL-tryptophan（NDLT）， an amino acid derivative， was introduced as an electrolyte additive to regulate the anode behavior of alkaline aluminum-air batteries（AABs）. The effect mechanism of NDLT on Al alloy anode was systematically investigated through hydrogen evolution measurements， electrochemical tests， full-cell performance evaluation， and microstructural characterization. The results demonstrate that NDLT can adsorb onto the Al alloy surface to form a compact water-blocking protective layer， effectively preventing direct contact between water molecules and the Al surface. This adsorption behavior significantly suppresses Al self-corrosion and parasitic hydrogen evolution reactions（HER）， thereby improving the discharge performance of AABs. Meanwhile， NDLT contributes to the construction of a uniform and stable Al/electrolyte interface， leading to an enhanced discharge potential and improved electrochemical kinetics of the Al anode. In a 4 mol/L NaOH electrolyte， the optimal inhibition concentration of NDLT was determined to be 7 mmol/L， at which the Al anode utilization reached 88.3%. Full-cell tests further revealed that the introduction of 7 mmol/L NDLT increased the energy density from 1550 W·h/kg to 3448 W·h/kg and the capacity density from 1324.9 mA·h/g to 2632.3 mA·h/g. This work provides an effective and environmentally benign electrolyte regulation strategy to enhance the durability and energy output of alkaline AABs， and offers a theoretical basis for the design and development of high-efficiency amino acid-derived additives.

Key words: Aluminum-air battery, Interface regulation, Electrolyte additive, Amino acid derivative

中图分类号:

O646

TrendMD:

郭雷, 苏安康, 陈鑫磊, 谭伯川, 昙艳, 花佳丽, 石维. 一种绿色高效的氨基酸衍生物添加剂用于提升碱性铝空气电池性能. 高等学校化学学报, 2026, 47(6): 20250329.

GUO Lei, SU Ankang, CHEN Xinlei, TAN Bochuan, TAN Yan, HUA Jiali, SHI Wei. A Green and Efficient Amino Acid-derived Additive for Enhanced Performance of Alkaline Al-air Batteries. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(6): 20250329.

图/表 12

Fig.1 Hydrogen evolution volume(A) and hydrogen evolution rate and corresponding inhibition efficiency(B) of the Al alloy in NaOH solutions containing different concentrations of NDLT

Fig.2 OCP test(A) and Tafel polarization curves(B) of Al alloy in NaOH solutions containing different concentrations of NDLT

Table 1 Polarization parameters of Al alloy corrosion in 4 mol/L NaOH electrolyte in the absence and presence of different concentrations of NDLT*

c/（mmol∙L^-1）	E_corr/V	β_a	-β_c	i_corr/（mA∙cm^-2）	η_PDP（%）
Blank	-1.407	219.9	195.5	34.39	—
3	-1.411	258.2	193.9	28.03	18.5
5	-1.404	295.2	188.9	24.51	28.7
7	-1.436	252.9	189.9	20.32	41.0
9	-1.453	236.0	196.9	25.68	25.3

Fig.3 Nyquist plots(A), Bode plots(B), equivalent circuit model(C) and electrochemical stability windows(D) of Al alloy in NaOH solutions containing different concentrations of NDLT

Table 2 Fitted values of impedance of Al alloy in 4 mol/L NaOH electrolyte without and with NDLT

c/(mol∙L^-1)	R_s/ （Ω∙cm²）	CPE₁		R_ct，1/ （Ω∙cm²）	10⁴L/ （H∙cm²）	R_L/ （Ω∙cm²）	CPE₂		R_ct，2/ （Ω∙cm²）	R_p/ （Ω∙cm²）	10³χ²
c/(mol∙L^-1)	R_s/ （Ω∙cm²）	10⁴Y₀/ （S∙s ⁿ ∙cm^-2）	n₁	R_ct，1/ （Ω∙cm²）	10⁴L/ （H∙cm²）	R_L/ （Ω∙cm²）	10²Y₀/ （S∙s ⁿ ∙cm^-2）	n₂	R_ct，2/ （Ω∙cm²）	R_p/ （Ω∙cm²）	10³χ²
Blank	1.040	5.297	1.000	0.180	1.419	0.386	11.01	1.000	0.044	0.167	0.116
3	1.197	3.064	1.000	0.395	7.006	0.911	10.45	0.982	0.102	0.377	0.193
5	1.348	3.234	0.988	0.586	23.42	1.448	8.045	1.000	0.149	0.566	0.059
7	1.356	1.166	0.961	0.690	12.33	1.851	5.971	1.000	0.273	0.775	0.043
9	1.179	0.938	1.000	0.378	5.362	1.153	5.561	0.963	0.229	0.514	0.196

Table 3 Galvanostatic discharge parameters of AABs

Additive	E/V	Δm/mg	U_a（%）	Q/（mA·h·g^-1）	W/（mW·h·g^-1）
Blank	1.17	15.1	44.4	1325	1550
NDLT	1.31	7.6	88.3	2632	3448

Fig.4 Polarization and power density curves(A), galvanostatic discharge capacity curves(B), voltage profiles under multi⁃stage current densities(1—120 mA/cm²)(C) and intermittent discharge performance(D) of AABs

Fig.5 SEM images of bare Al(A), NDLT(B) and blank(C), and EDS elemental mapping(D—F) of Al alloy surfaces（A， D） Polished；（B， E） immersed in blank solution for 1 h；（C， F） immersed in 4 mol/L NaOH with 7 mmol/L NDLT for 1 h.

Fig.6 Water contact angles of Al alloy surfaces under different conditions of after polishing(A), after immersion in 4 mol/L NaOH solution for 1 h(B), and after immersion in 4 mol/L NaOH containing 7 mmol/L NDLT for 1 h(C)

Fig.7 AFM images of Al alloy surfaces under different conditions of after polishing(A), after immersion in 4 mol/L NaOH solution for 1 h(B), and after immersion in 4 mol/L NaOH containing 7 mmol/L NDLT for 1 h(C)

Fig.8 XPS spectra of C(A), N(B), O(C) and Al(D) of the Al alloy immersed in 4 mol/L NaOH containing 7 mmol/L NDLT, FTIR spectra of Al alloy(E), UV⁃Vis spectra of electrolyte(F)

Fig.9 Optimized adsorption configuration of NDLT on the Al(111) surface(A), electrostatic potential distributions of H2O and NDLT molecules(B), HOMO and LUMO energy levels of H2O and NDLT(C), corresponding charge density difference upon adsorption(D), and PDOS of O(E) and Al(F) of NDLT on the Al(111) surface

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