自充電能源系統(tǒng)集成了能量轉(zhuǎn)換裝置與電池于一體，可將環(huán)境中的能量（太陽(yáng)能、機(jī)械能、熱能等）轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在電池中，在無(wú)外部電源充電的情況下實(shí)現(xiàn)持續(xù)的能量供應(yīng)。但是，這些系統(tǒng)的能量來(lái)源具有間歇性、不可預(yù)測(cè)性和不穩(wěn)定性，限制了其在特殊環(huán)境或特定時(shí)期內(nèi)的可用性。集化學(xué)能轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)于一體的化學(xué)自充電電池是一種極具發(fā)展前景的離網(wǎng)電源系統(tǒng)。然而，常規(guī)的空氣自充電電池受限于正極活性材料與氧氣之間熱力學(xué)不利和動(dòng)力學(xué)緩慢的氧化還原反應(yīng)，其充電時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法提供及時(shí)、不間斷的能源供應(yīng)，并且，在無(wú)氧環(huán)境中，空氣自充電電池的使用受到了極大的限制。因此，開(kāi)發(fā)一種快速自充電并且在各種使用場(chǎng)景下提供持續(xù)能量供應(yīng)的化學(xué)自充電體系具有重要意義。
基于此，本工作提出了一種非氧氣依賴型的H2O2快速自充電水系Zn/NaFeFe(CN)6電池。通過(guò)放電態(tài)NaFeFe(CN)6正極與H2O2之間自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，將H2O2中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在電池中。H2O2較高的電極電勢(shì)使其與放電態(tài)正極之間的電勢(shì)差ΔE較大，從而增強(qiáng)了氧化還原反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，并且H2O2的二電子還原反應(yīng)具有快速的還原動(dòng)力學(xué)，放電態(tài)正極與H2O2之間固液兩相的氧化還原反應(yīng)利于界面快速傳質(zhì)和電荷傳遞。因此，二者之間的氧化還原反應(yīng)具有較快的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，提升了H2O2自充電速率，大大縮短了其自充電時(shí)間，完全放電的Zn/NaFeFe(CN)6電池在一分鐘內(nèi)即可自充電至1.7 V。
由于H2O2快速自充電的速率遠(yuǎn)大于常規(guī)的放電速率，在放電過(guò)程中，電池中的H2O2將迅速地氧化放電態(tài)正極至其充電狀態(tài)，儲(chǔ)存在H2O2分子中的化學(xué)能持續(xù)地轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存在電池體系中的電能，并及時(shí)地補(bǔ)償放電過(guò)程中的電能消耗，因此，該電池體系可以持續(xù)穩(wěn)定放電，含有3 wt% H2O2的Zn/NaFeFe(CN)6電池可展現(xiàn)出915.4 mAh g-1的高放電比容量。 此外，該體系可設(shè)計(jì)為半流動(dòng)式電池結(jié)構(gòu)，從而擴(kuò)展自充電電池儲(chǔ)存的能量。單流動(dòng)的H2O2自充電Zn/NaFeFe(CN)6電池的能量和功率相互解耦、容量可調(diào)并且電壓輸出穩(wěn)定，單體電池可提供404 mAh的高容量和8.08 Ah L-1的體積比容量。最終構(gòu)建了大尺寸（20×20 cm2）的半流動(dòng)單體電池，其可在11.4分鐘內(nèi)快速自充電至1.71 V，并展現(xiàn)出7.06 Ah的超高容量，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。 論文信息 A H2O2 Self-Charging Zinc Battery with Ultrafast Power Generation and Storage Yan Zhang, Yang Hu, Huimin Wang, Jinlei Tian, Prof. Zhiqiang Niu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202405166
