南开大学牛志强教授《Angew》：可在-70°C下工作的水系电池

　　水系电池由于其固有的安全性、环保性和低成本，在大规模储能领域正受到越来越多的关注。然而，由于电解液的冻结导致缓慢的载流子扩散，常规水系电池通常在低于零下的情况下会遭受严重的容量损失。

　　水系氢离子电池由于其H+载流子具有离子半径小、电导率高等优势，被认为是一种有前景的储能装置。氢离子电池中通常采用酸性溶液作为电解液。在酸性电解液中，阴离子与水分子通过氢键结合，随着酸浓度的增加，阴离子与水分子的相互作用增强，从而导致电解液冰点降低，这不仅可以抑制酸性电解液的冻结，而且可以保持零下条件下H+的快速扩散。但绝大多数电极材料，如金属、金属氧化物和金属氢氧化物，都会受到酸性电解液特别是高浓度酸的腐蚀。因此，非常需要设计一种新型电池系统，其中电极材料与浓酸性电解液兼容，并可以实现低温储能。

　　鉴于此，南开大学牛志强教授团队开发了一种在防冻H₂SO₄电解液中基于对氯苯甲醚/还原氧化石墨烯（PCHL-rGO）的Pb-醌水系电池。Pb/PCHL-rGO电池具有H+嵌入化学性质，这使电池具有快速的反应动力学和高倍率性能。此外，通过调节SO₄^2-和水分子之间的相互作用，可显着破坏电解液中水分子之间的氢键，从而降低电解液的凝固点。结果，Pb/PCHL-rGO电池即使在-70°C的温度下也具有出色的电化学性能。

　　文章亮点：

　　1、Pb/PCHL-rGO电池采用可逆的H+配位/非配位反应，这有利于实现快速反应动力学。

　　2、酸性电解液中的SO₄^2-通过氢键与水分子发生强烈的相互作用，破坏了水分子间的氢键，可显著降低电解液的冰点，即使在-70℃下也能保证其高离子电导率（3.2 S m^-1）。

　　3、结合快速质子扩散动力学和防冻电解液，Pb/PCHL-rGO电池系统在低温下具有优异的电化学性能，在-70°C下，当电流密度为0.1 A g^-1时具有87 mAh g^-1的放电容量，当电流密度为0.5 A g^-1时，循环500次后具有高容量保持率为97%的长循环稳定性。

　　图1 a）Pb/PCHL-rGO电池，b）H₂SO₄电解液的防冻机理示意图

　　图2 Pb/PCHL-rGO电池的储能机理

　　图3 Pb/PCHL-rGO电池-70℃下的电化学性能

　　原文链接：

　　https://doi.org/10.1002/anie.202103722

　　来源：高分子科学前沿

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发布时间：2021-04-24 11:00:20 来源：头条网