复旦王飞Angew：三元共晶电解液实现超低温氢电池

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-12-03 08:18

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质子电池因其轻质性质和小的离子半径以及通过水分子促进快速质子传输的Grotthuss机制，展现出在极端条件下大规模能量存储和应用的重要潜力。这些优势使得质子电池能够高倍率和低温操作。

在各种质子电池阳极材料中，包括金属氧化物（MoO ₃ 、WO ₃ ）和有机物（PTO），氢气因其在可逆析氢和氧化反应（HER/HOR）中的低过电位、快速动力学和稳定性而脱颖而出。

然而，使用氢气引入了复杂的气-液-固界面，并需要抗冻电解液以适应低温应用。因此，开发一种在低温下保持液态和稳定同时支持快速质子传导的电解液对于氢电池至关重要，但充满挑战。

在此 ，复旦大学王飞团队 提出了一种局部水限制策略即通过引入具有高供体数的第三组分，精确调整氢键的数量和强度，成功制备了一种新的三元共晶电解液。研究显示，该种策略限制了自由水分子，降低了平均氢键比例和强度。所制备的三元共晶电解液的冰点降低到了-103℃，显著低于传统二元电解液（9.5 m H ₃ PO ₄ ，-93℃）。

结果显示，该种电解液与Cu _0.79 Co _0.21 [Fe(CN) ₆ ] _0.64 ·4H ₂ O（CoCuHCF）正极材料高度兼容，减少了材料溶解和集流体腐蚀。使用这种电解液的H ₂ ||CoCuHCF电池展示了高功率密度23664.3 W kg ⁻¹ ，在-80℃下表现出色，并在-50℃下稳定循环超过1000个周期（超过30天）。

图1. 三元共晶质子电解液的设计框架

总之，该工作展示了一种局部水限制策略。研究显示，该策略最小化了限制水溶剂的使用，确保了快速的质子传导，并实现了低温操作。通过引入高供体数（DN）组分并精确降低氢键强度，三元共晶电解液显著降低了冰点至-103℃。该电解液有效抑制了电极材料的溶解和集流体的腐蚀，与CoCuHCF显示出高兼容性。

基于此，作者开发了一种H ₂ ||H6D1-7.5 M H ₃ PO ₄ ||CoCuHCF电池系统，在室温下经过超过40000个稳定循环，并在60 A g ⁻¹ 下实现了23664.3 W kg ⁻¹ 的超高功率密度。此外，该种氢电池在-80℃下也保持了出色的低温性能，具有11.4 mAh g ⁻¹ 的比容量和25 mA g ⁻¹ 下的13.0 W kg ⁻¹ 的功率密度。

因此，该项工作为平衡高导电性和低冰点提供了一个稳健的框架，为电解液设计提供了一种新的方法。