Small Structures: 现阶段氢离子电池研究的总结与展望

氢离子电池由于具有超高倍率,低温可以稳定工作,不需要金属离子等特点,近年来正在引起越来越多的研究热情。同时很多水系锌离子电池的研究也发现,很多材料可以进行锌离子与质子的共同嵌入或者甚至是纯质子嵌入,说明这一行为具有很高的热力学自发性。另一项质子嵌入引起更多研究的原因则是体现在超高倍率性能背后的Grotthuss机理,针对最近对这些关于电极材料质子嵌入的研究,俄勒冈州立大学纪秀磊教授及时的进行了总结与展望,归纳了质子电池的研究优缺点与未来的研究方向。

该工作首先讨论了金属层状氧化物质子的可逆嵌入,指出其性能与层间结晶水高度相关性,同时归纳总结了二氧化锰基于不同的结构可以出现不同的电化学机理,包括了MnO2 与MnOOH的相变反应与多离子与质子的共同嵌入。针对一些Zn2+离子电池的研究,文章指出了由于质子的嵌入导致电极表面局部pH值变高从而导致锌离子沉积,而并非单纯锌离子嵌入的可能性。

文章还讨论比较了有机物的质子嵌入性能,指出对于有机物的储质子能力,通过引入官能团或者聚合反应来提高其在酸性电解液中的稳定性是提升其性能的关键。同时对于普鲁士蓝衍生物与Mxene优异的倍率性能, 该工作指出背后的机理是它们独特的结构引入了大量的结晶水与氢键网络,从而使得Grotthuss机理得以在材料内部发生,氢离子在内部的迁移不同于普通离子的 ‘车辆’模型。

最后,文章比较了不同系统下氢离子电池的能量密度与循环性能。同时探讨了与传统电池相比,质子电池的优点与缺点,其中包括其优异的倍率性能以及低温下的电池工作性能是传统电池所缺少的;但是氢离子电池的酸性电解液也是导致了很多电极材料的不稳定性,以及相对较差的循环性能。该工作及时的对现阶段的质子电池研究进行了总结与比较,探讨了质子电池研究的意义以及未来的发展方向。

论文信息:

The Renaissance of Proton Batteries

Yunkai Xu, Xianyong Wu, Xiulei Ji*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202000113