张校刚教授、窦辉教授、林志群教授， Angew. Chem. Int. Ed.：分子胶束聚集体电解质实现稳定的电化学质子存储

第一作者：董晓玉

通讯作者：张校刚*，林志群*， 窦辉*

单位：南京航空航天大学，新加坡国立大学

质子电池因其高安全性、快速响应性和环保特性，成为下一代储能技术的研究热点。质子（H⁺）作为电荷载体，具备质量小、迁移快的优势，适合高效能量存储。然而，酸性水系电解质的低分解电压（约1.23 V）限制了电池的工作电压和能量密度，同时水的分解会导致气体生成和电极腐蚀，影响循环寿命和稳定性。非水电解质提供了一种潜在解决方案，但传统非水电解质粘度高、导电性低，与电极材料兼容性差。分子胶束聚集体电解质通过形成稳定的质子传输通道和增强电化学稳定性，展现出在质子电池中的应用潜力，提供了一条新的设计思路。

基于此，来自 新加坡国立大学的林志群教授与南京航空航天大学的窦辉、张校刚教授 合作，在国际知名期刊 Angew. Chem. Int. Ed. 上发表题为 “Molecular Micellar Aggregate Electrolytes Enable Durable Electrochemical Proton Storage” 的研究性文章。该文章提出利用分子胶束聚集体电解质解决酸性水系电解质中水分解问题，实现了高稳定性、高能量密度和宽电压窗口的质子电池设计。

图1.分子胶束电解质示意图及其表征。

传统水系酸性电解液存在副反应问题，而以CTAB为构筑单元的非水分子胶束聚集体电解液（CAH）通过增强氢键网络和优化微环境，提高了质子传导效率和体系稳定性。拉曼、FT-IR和NMR等表征结果表明，CTAB的加入促进了H₃PO₄分子与ACN和水之间的相互作用，并显著增强了氢键网络的强度与方向性。理论计算显示，CTAB与H₃PO₄间较强的静电作用有助于形成稳定的胶束结构，优化质子传输路径。

图2.分子胶束电解质示结构表征。

要点二：H-VHCF在分子胶束电解液中的高效质子存储与循环稳定性

在0.3-CAH电解液中，H-VHCF正极表现出优异的电化学性能，放电容量达158.6 mAh g⁻¹，库仑效率提高至90.2%，且高倍率下容量保持良好，循环稳定性显著优于传统电解液。这得益于ACN的弱极性减少了析氧反应，以及非扩散型Grotthuss质子传导机制的补偿效应。经过10000次循环后，容量仍保持118 mAh g⁻¹，优于大多数已报道的质子存储材料。

图3.半电池电化学性能表征。

要点三：质子存储动力学及存储机制研究

研究表明，0.3-CAH电解液与H-VHCF阴极的质子存储以Grotthuss机制为主，展现快速动力学特性。CV测试表明电容贡献占主导，且随扫描速率增加而提升。GITT分析显示H⁺扩散系数在10⁻⁹至10⁻¹²范围内。原位FT-IR和非原位XPS揭示充放电过程中的钒和铁氧化态变化具有良好可逆性。

图4.质子存储动力学及存储机制研究。

要点四：全电池稳定性研究

使用0.3-CAH电解液的H-VHCF//MoO ₃ @MXene全电池表现出优异的电化学性能，包括更高的工作电压（1.8 V vs. 1.5 V）和较低的自放电率（30.6% vs. 完全放电）。差分电化学质量谱（DEMS）分析显示，0.3-CAH电解液在充放电过程中没有氢气析出，证明其在高电压下具有较好的稳定性，抑制了水电解等副反应。这表明0.3-CAH电解液在质子电池中的应用前景广阔。