水系銅金屬電池因其低成本、高安全性和環(huán)境友好性被認(rèn)為是大規(guī)模儲(chǔ)能體系中很有前途的候選者。然而，目前常用的CuSO4電解質(zhì)主要用于構(gòu)建室溫銅金屬電池，這是因?yàn)槠涔逃械牡腿芙舛群透吣厅c(diǎn)嚴(yán)重限制了銅金屬在低溫電池上的發(fā)展。迄今為止，還未見關(guān)于銅金屬電池低溫適應(yīng)性的報(bào)道。
受質(zhì)子在低溫下快速擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)和金屬銅良好的耐酸性的啟發(fā)，在銅金屬電池的構(gòu)造中采用酸性電解質(zhì)可能是實(shí)現(xiàn)超低溫銅金屬電池的理想選擇。但這一策略存在一個(gè)很大的挑戰(zhàn)是如何滿足CuSO4電解質(zhì)與相應(yīng)質(zhì)子酸的溶解度相容性。為了克服這一挑戰(zhàn)，就需要開發(fā)新的銅鹽電解質(zhì)來替代CuSO4。
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）鄧先宇教授課題組發(fā)現(xiàn)Cu(BF4)2電解質(zhì)不僅具有溶解度優(yōu)勢(shì)，而且因BF42-水解具有自發(fā)質(zhì)子的典型特征，這使其能夠破壞水分子間氫鍵結(jié)構(gòu)，成為有效的水系電解質(zhì)?；诖藰?gòu)建的銅金屬電池在-50 °C表現(xiàn)出1萬次的超長(zhǎng)循環(huán)壽命，同時(shí)其在-70 °C下也能正常運(yùn)行。
該工作通過光譜表征和電化學(xué)測(cè)試研究了一系列水系電解質(zhì)的低溫電化學(xué)行為。得益于自發(fā)質(zhì)子加速的離子傳輸動(dòng)力學(xué)和消除的固有酸性電解質(zhì)對(duì)金屬的熱力學(xué)不穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)，使得Cu(BF4)2電解質(zhì)在超低溫適應(yīng)性和熱力學(xué)穩(wěn)定性方面表現(xiàn)突出。這種優(yōu)異的電解質(zhì)賦予了聚苯胺/銅電池在-30 °C下高達(dá)10 A g-1的充電/放電能力，21秒的超短充電時(shí)間，~70 mAh g-1的放電比容量，以及可與超級(jí)電容器相媲美的~3000 W kg-1的功率密度。構(gòu)建的Cu/Cu對(duì)稱電池在-50 °C下實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá) 960小時(shí)的高度可逆的沉積/剝離行為，且沒有產(chǎn)生枝晶和副產(chǎn)物。此外，全電池在-50 °C表現(xiàn)出超過1萬次的循環(huán)壽命和接近100%的庫(kù)侖效率。更重要的是，該全電池在-70 °C時(shí)仍具有~40 mAh g-1的比容量。 本研究說明了自發(fā)質(zhì)子化學(xué)在實(shí)現(xiàn)抗凍水系銅金屬電池中的關(guān)鍵作用，并為超低溫儲(chǔ)能電池提供了一種有前途的策略。 論文信息 Spontaneous Proton Chemistry Enables Ultralow-temperature and Long-life Aqueous Copper Metal Batteries Changyuan Yan, Zixuan Chen, Hao Huang and Xianyu Deng 文章的第一作者是哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）的博士研究生閆長(zhǎng)媛 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202300523
