通过钝化产氢实现高效水系能源存储

水系锂离子电池是一类具有高功率、高安全性和低成本等诸多优势的新型能源存储设备。然而,对比传统有机系电池,水系锂离子电池的研究与发展严重受限于其较窄的电压窗口(< 1.8 V)以及较低的能量密度(< 70 W h kg-1)。导致这些问题的原因就是在水溶液中主要的副反应之一——电化学分解水(2H2O → 2H2 + O2)。虽然通常析氧反应(OER)因为自身较大的过电位而不易发生,析氢反应(HER)却易在较低的过电位下启动,进而影响电池的电压窗口和库伦效率。

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复旦大学先进材料实验室和化学系郑耿锋教授课题组与物理系龚新高教授课题组,结合近年来在电催化分解水领域的研究经验,利用密度泛函理论计算,预测了聚酰亚胺是一类具有较少析氢催化位点和较大的活化能(2.11 eV)的水系锂离子电池负极材料。随着与Li+结合,聚酰亚胺的析氢催化位点数量可进一步减少,从而使得析氢反应更加钝化。以这一理论为指导设计合成的聚酰亚胺/碳纳米管网络(PNFE-CNT)的水系锂离子电池负极,具有相对于可逆氢电位(RHE)极高的析氢过电位(约820 mV vs. RHE)。电化学动力学实验分析发现PNFE-CNT网络有着近似法拉第电容性质的储能机理,使其比容量达到153.7 mA h g-1,并且能够实现单圈13.6 秒的超快充放电。值得一提的是,在0.2C的低倍率测试下,PNFE-CNT负极的库伦效率始终保持在99%左右,证明了其对水的析氢反应确实有效的抑制作用。以PNFE : LiMn2O4质量比1 : 1.2组成的水系锂离子全电池电压窗口大于2 V,10C电流下首圈比容量达到68.8 mA h g-1,能量和功率密度密度分别达到76.1 W h kg-1和12,610 W kg-1。1000次循环后容量保持在首圈的65.5%,并且在此过程中的库伦效率始终维持在97%至99%。综合各方面表现,相比同类型器件,PNFE-CNT||LiMn2O4水系锂离子电池在能量和功率密度、循环寿命等方面具有显著提升。该研究成果近期以封底文章的形式发表于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201602583)。