Small:“糖水”电解液助力快充长寿命氢离子电池

研究背景

电化学储能技术(尤其是高容量可充电电池)的发展为我们的现代生活提供了极大便利。目前,电池领域的研究难点之一在于开发堪比双电层电容(无电荷转移)的高倍率高容量法拉第电极。电池的倍率性能主要由载流子在电极和电解液中的扩散速率决定,因此,载流子的选择至关重要。迄今为止,金属载流子仍然是电池领域的研究热点,例如 Li+、Na+、K+、Zn2+、Mg2+ 和Al3+等。氢离子(H+/H3O+)具有传导快,质量轻,尺寸小,储量丰富等诸多优点,其超快传导归因于其独特的Grotthuss传导机制,质子可以通过氢键网络进行类似于牛顿摆的跳跃传导。近年来,得益于该特性,氢离子电池不仅实现了高达4000 C(380 A g−1,508 mA cm−2)的优异倍率性能,更实现了22.4 mAh cm−2 的超高面积比容量。

目前,氢离子电池广泛使用酸性电解液(H2SO4 和H3PO4),因其能提供大量氢离子,具有高离子电导率、低成本等优点,然而,水分子随溶剂化质子(即水合氢离子H(H2O)n+) 共同嵌入电极材料(表面)晶格,导致材料结构的扭曲,破坏循环稳定性。例如,使用常见的MoO3电极在 1 M H2SO4 电解液中循环100 次后,容量保持率仅为67%。增加酸浓度可以有效降低游离水的含量,但是会对电池装置造成严重腐蚀。此外,析氢反应对酸性电解液提出了另一个挑战。即使是反应产生的微量氢气,也会在电池循环过程中严重破坏电极结构,带来安全隐患。

文章概述

近日,澳洲新南威尔士大学赵川教授团队提出了一种新型的高浓度葡萄糖电解液,并成功用于氢离子电池。相比于传统金属载流子在溶液中的逐个扩散传导,在新型“糖水”电解液中,氢离子通过Grotthuss机制快速传导,使该电解液具有超高的离子电导率(258.4 mS cm-1)以及出色的倍率性能4–40 A g-1。葡萄糖的加入不仅能调控水合氢离子的溶剂化结构,降低水活度,而且在电极-电解液界面形成了稳定的葡萄糖保护膜。原位电化学石英晶体微量天平(EQCM)表明,葡萄糖在电解液和界面的共同作用阻碍了水分子和电极的相互作用,保护了材料结构,降低材料溶解,从而极大提高了电池循环寿命。“糖水”电解液使MoO3电极长循环超过100 000次,≈100%库仑效率和优异的倍率性能(4-40 A g−1),以及可观的可逆容量≈205 mAh g−1。该“糖水”概念具有普适性,不仅能推广至不同种糖类和酸溶液,且广泛适用于其它电极材料和其他水系电池。

图文导读

图1.“糖水“电解液的结构表征。(a)分子动力学模拟(MD)突出显示溶液中的游离水分子含量。(b)H3O+溶剂化结构。不同糖浓度电解液的(c)1H NMR,(d)Raman和(e)FTIR谱图。
图2. “糖水”电解液的电化学性质。(a)电解液工作电压区间,(b)倍率性能,(c)循环稳定性,(d)长循环。
图3. 电极-电解液界面化学。循环后电极的(a)TEM和(b)XPS。(c)密度泛函理论(DFT)计算。(d) 界面示意图。
图4. 水和电极表面的相互作用。(a,b)电化学石英晶体微量天平(EQCM),(c)循环后电极的Raman, (d) 循环后电解液的ICP。
图5. “糖水“电解液提高氢离子电池稳定性的示意图

论文信息:

Water-in-Sugar” Electrolytes Enable Ultrafast and Stable Electrochemical Naked Proton Storage

Zhen Su, Junbo Chen, Wenhao Ren, Haocheng Guo, Chen Jia, Songyan Yin, Junming Ho, Chuan Zhao*

Small

DOI: 10.1002/smll.202102375

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202102375