通訊單位：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 論文DOI：10.1002/adfm.202101024 中科大陳維教授課題組通過匹配固液反應(yīng)的碘正極與氣液反應(yīng)的氫氣負(fù)極，組建了一種全新的碘-氫氣電池。該電池不僅實(shí)現(xiàn)了100 C高的倍率與60000圈長(zhǎng)的循環(huán)穩(wěn)定，而且展示了15.5 Ah L?1高的體積容量與耐過充能力。另外，設(shè)計(jì)的靜態(tài)碘-氫氣電池能夠在不同的酸堿環(huán)境進(jìn)行良好穩(wěn)定地工作。該研究成果發(fā)表在Advanced Functional Materials。可再生能源的間歇性問題促使了可充電電池技術(shù)用于大規(guī)模儲(chǔ)能的快速發(fā)展。鋰離子電池因其高的能量密度與先進(jìn)的工藝受到了廣泛的關(guān)注。然而，易燃有機(jī)電解液在傳統(tǒng)的鋰離子電池中，容易在大規(guī)模使用過程中造成巨大的安全隱患。相比之下，水系電池展示出了高的安全性和快速又穩(wěn)定的充放電能力，進(jìn)而有望被使用在大規(guī)模儲(chǔ)能上。據(jù)研究，氫氣電極在催化方面表現(xiàn)出的析氫反應(yīng)與氫氣氧化反應(yīng) (HER/HOR)，具有低的過電位以及良好的穩(wěn)定性。至此，我們課題組近年來開發(fā)出了一系列新型可充電水系氫氣電池。例如：已經(jīng)發(fā)展的鎳-氫氣、錳-氫氣、鋰嵌入化合物-氫氣以及鐵-氫氣電池均展示出了優(yōu)異的倍率與長(zhǎng)的循環(huán)穩(wěn)定性。因此，氫氣電極優(yōu)異的特性促使我們對(duì)更多氫氣電池體系進(jìn)行探索。眾所周知，液相的電極反應(yīng)往往在充放電速率與穩(wěn)定性方面優(yōu)于一些固相轉(zhuǎn)化反應(yīng)。其中，I3?/I?氧化還原對(duì)反應(yīng)具有高的溶解度（> 8 M）、低的成本與適中的電極電位（0.534 V vs SHE），而被廣泛應(yīng)用于液流電池的正極。然而，在其工作過程中，常常需要使用較昂貴的離子交換膜。因此，通過固定單質(zhì)碘到正極，不僅可抑制I3?的穿梭，而且可去除對(duì)離子交換膜的使用。因此，一系列碘-金屬電池體系被相繼報(bào)道。然而，金屬枝晶的形成和鈍化層導(dǎo)致電池在長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)中易失效。因此，為了獲得理想的高容量、快速的動(dòng)力學(xué)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性能，匹配碘正極與高度可逆且穩(wěn)定的負(fù)極值得探索。通過匹配固液反應(yīng)的碘正極與氣液反應(yīng)的氫氣負(fù)極，組建了一種全新的水系碘-氫氣（I2-H2）電池。與傳統(tǒng)的液流電池不同，我們?cè)O(shè)計(jì)的靜態(tài)水系I2-H2電池不含有循環(huán)系統(tǒng)及離子交換膜，大大地降低了電池的制造成本。該設(shè)計(jì)的電池體系不僅實(shí)現(xiàn)了100 C高的倍率與60000圈長(zhǎng)的循環(huán)穩(wěn)定，而且展示了15.5 Ah L?1高的體積容量與耐過充能力。另外，碘-氫氣電池能夠在不同的酸堿環(huán)境進(jìn)行良好穩(wěn)定地工作，為大規(guī)模儲(chǔ)能商業(yè)化應(yīng)用開辟了一條新的途徑。▲圖1，碘-氫氣電池的結(jié)構(gòu)與工作原理
設(shè)計(jì)的碘-氫氣電池主要由正極（活性炭負(fù)載在鈦箔）、負(fù)極（商業(yè)鉑碳負(fù)載在氣體擴(kuò)散層）與玻璃纖維隔膜組成。通過磷酸緩沖溶液使電解液在充放電過程中保持中性。在充電過程中，氫氣在負(fù)極析出，同時(shí)單質(zhì)碘在正極沉積。放電過程中，氫氣在負(fù)極被氧化，同時(shí)單質(zhì)碘還原成碘離子。相應(yīng)的反應(yīng)如下所示：▲圖2，碘-氫氣電池在中性電解液中的電化學(xué)性能
我們研究了碘-氫氣電池的電化學(xué)性能。通過CV可以看出一對(duì)明顯的氧化還原峰1.07 V/0.93 V，通過充放電曲線可以看出一對(duì)明顯的充放電電壓平臺(tái)1 V/0.84 V。該電池能夠在100 C的高倍率下工作，且60000圈循環(huán)后的容量幾乎無(wú)衰減。在充分利用所添加的電解液條件下，該電池展示了15.5 Ah L?1的體積容量，并具有81.5%的高能量效率。我們?cè)O(shè)計(jì)的碘-氫氣電池與其它報(bào)道的碘-金屬電池相比，在工作電流倍率與循環(huán)壽命上具有極大的優(yōu)勢(shì)。其次，我們對(duì)碘-氫氣電池的過充自愈能力進(jìn)行了測(cè)試，可以看出，當(dāng)電池發(fā)生過度充電池，再進(jìn)行正常的工作，該電池依然能夠像正常工作時(shí)一樣，穩(wěn)定的進(jìn)行循環(huán)工作。▲圖4，碘-氫氣電池在酸性及堿性電解液中的電化學(xué)性能
最后，我們探索了設(shè)計(jì)的碘-氫氣電池在酸性與堿性電解液中的電化學(xué)性能?？梢钥闯鲭姵卦谒嵝郧闆r下表現(xiàn)出好的倍率性能，在堿性情況下表現(xiàn)出高的放電電壓平臺(tái)。通過將固-液I2/I?正極與氣-液H2/H2O負(fù)極進(jìn)行耦合，我們成功設(shè)計(jì)了一種新型的靜態(tài)I2-H2電池。該水系電池表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)次數(shù)超過60000次，放電容量高達(dá)15.5 Ah L?1，當(dāng)使用更高溶解度的電解液時(shí)，電池的容量可以進(jìn)一步提高。I2-H2電池在電池過度充電時(shí)，表現(xiàn)出良好的自愈能力。同時(shí)，我們?cè)谌玴H值電解液中研究了I2-H2電池的電化學(xué)性質(zhì)，都顯示出了良好的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，高的工作電壓，長(zhǎng)的循環(huán)穩(wěn)定性。我們?cè)O(shè)計(jì)的I2-H2電池為將來電網(wǎng)式儲(chǔ)能應(yīng)用提供了一條新的路徑。Zhengxin Zhu, Yahan Meng, Yi Cui, Wei Chen*. An Ultrastable Aqueous Iodine-Hydrogen Gas Battery, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202101024https://doi.org/10.1002/adfm.20210102陳維，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系特任教授，博士生導(dǎo)師，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心教授，國(guó)家人才項(xiàng)目計(jì)劃入選者。2008年于北京科技大學(xué)獲材料物理學(xué)士學(xué)位；2013年于阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)獲材料科學(xué)與工程博士學(xué)位，導(dǎo)師為Husam Alshareef教授；其后于斯坦福大學(xué)從事博士后研究工作，導(dǎo)師為崔屹教授；2019年7月入職中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)。陳維教授專注于大規(guī)模儲(chǔ)能電池，電催化等研究，在上述領(lǐng)域取得了一系列科研成果。以第一作者和通訊作者身份在Nature Energy, PNAS, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials等國(guó)際期刊發(fā)表論文50余篇，論文總被引7000余次，H因子40。http://staff.ustc.edu.cn/~weichen11. Wei Chen#, Guodong Li#, Allen Pei, Yuzhang Li, Lei Liao, Hongxia Wang, Jiayu Wan, Zheng Liang, Guangxu Chen, Hao Zhang, Jiangyan Wang, Yi Cui*, A Manganese-Hydrogen Battery with Potential for Grid-Scale Energy Storage, Nature Energy, 2018, 3, 428-435. DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-018-0147-72. Wei Chen, Yang Jin, Jie Zhao, Nian Liu, Yi Cui*, Nickel-Hydrogen Batteries for Large-Scale Energy Storage, Proceedings of the National Academy of Sciences, U. S. A. 2018, 115 (46), 11694-11699. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.18093441153. Guodong Li#, Wei Chen#, Hao Zhang#, Yongji Gong, Feifei Shi, Jiangyan Wang, Rufan Zhang, Guangxu Chen, Yang Jin, Tong Wu, Zhiyong Tang, Yi Cui*, Membrane-Free Zn/MnO2 Flow Battery for Large-Scale Energy Storage, Advanced Energy Materials, 2020, 10, 1902085. DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.2019020854. Zhengxin Zhu, Mingming Wang, Yahan Meng, Zihan Lin, Yi Cui*, Wei Chen*, A High-Rate Lithium Manganese Oxide-Hydrogen Battery, Nano Letters, 2020, 20, 5, 3278-3283. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c000445. Zhengxin Zhu, Xiang Zhang, Mingming Wang, Wei Chen*, Lithium Intercalation Compounds-Hydrogen Gas Batteries, Chemical Journal of Chinese Universities, 2021, 42, 5, 1610-1618. DOI: https://doi.org/10.7503/cjcu202005146. Zhengxin Zhu, Yahan Meng, Mingming Wang, Yichen Yin, Wei Chen*, A High Performance Aqueous Iron-Hydrogen Gas Battery, Mater. Today Energy, 2021, 19, 100603. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mtener.2020.100603
