首页 > 行业资讯 > 中南大学唐有根-王海燕课题组EnSM：氢键重构策略实现高性能低温铝空气电池

中南大学唐有根-王海燕课题组EnSM：氢键重构策略实现高性能低温铝空气电池

时间：2023-04-06 来源：浏览：

中南大学唐有根-王海燕课题组EnSM：氢键重构策略实现高性能低温铝空气电池

Energist 能源学人

能源学人

微信号 energist

功能介绍能源学人，打造最具影响力的能源科技服务平台！

收录于合集

【研究背景】

铝空气电池因其高能量密度、低成本和环境友好的特点被认为是理想的下一代能量储存和转换系统。然而，金属铝阳极在强碱性的电解液中遭受严重的自腐蚀，不仅产生大量的氢气威胁电池安全，同样导致阳极利用率降低，减少电池使用寿命。此外，传统水系电解液凝固点较高，在极端天气下特别是低温环境中电池无法正常运行，限制了铝空气电池的应用场景。

【文章简介】

近日，中南大学唐有根-王海燕课题组以低成本和无毒的丙三醇为电解液添加剂，通过电解液氢键网络重构实现了超低温的铝空气电池的构建。一方面加入的丙三醇分子打破了水分子间氢键网络，与水子形成新的强氢键，减弱了水分子活性，同时理论计算发现丙三醇优先吸附在铝阳极表面，从而减少了水分子与阳极接触。因此在优化的电解液中铝阳极的腐蚀速率降低至0.03 mg cm ⁻² min ⁻¹ ，全电池比容量达到1886 mAh g ⁻¹ ，远高于传统电解液的819 mAh g ⁻¹ 。另一方面，新氢键的形成也降低了电解液凝固点（−89.7℃），在−60 ℃使用优化的电解液可连续工作56 分钟，实现了铝空气电池的低温应用，拓展了铝空气电池的应用范围。该工作以 “Hydrogen-bonds reconstructing electrolyte enabling low-temperature aluminum-air batteries” 发表在国际知名期刊 Energy Storage Materials上，李熠鑫，唐有根和王海燕为通讯作者，吕超南和朱元鑫为共同第一作者。

【本文要点】

（1）氢键网络重构显著降低电解液凝固点

基于红外热成像，核磁氢谱，红外以及拉曼测试发现丙三醇的加入与水分子形成了新的氢键，打破了水分子间原有的氢键网络，使水分子活性降低。DSC测试则进一步证明了加入丙三醇电解液的凝固点可降低到−89.7℃。分子动力学模拟及DFT理论计算显示丙三醇能够进入阳离子溶剂鞘中，取代部分溶剂鞘中的水分子，并优先水分子吸附在铝阳极表面隔绝水分子与阳极直接接触，进一步降低了水分子活性，有利于抑制铝阳极腐蚀。原位红外测试也表明了丙三醇分子与阳极存在相互作用。

图1 电解液光谱学表征。

图2 电解液动力学模拟，吸附能计算和原位红外测试。

（2）铝阳极腐蚀速率和剥离形貌研究

电势窗及极化曲线测试表明析氢电位随着丙三醇含量的增加逐渐增大，并且通过原位光学显微镜发现在含有丙三醇的电解液中氢气产生速率明显降低，说明了铝阳极腐蚀受到明显抑制。SEM以及Comsol模拟表明在含有丙三醇的电解液中，铝阳极表面较平整并且表面电场分布均匀，证明了在含有丙三醇的电解液中，放电过程中铝离子均匀从铝负极剥离，有利于全电池电压的稳定。

图3 电解液电化学表征。

图4 SEM，原位显微镜以及Comsol模拟。

（3）高性能低温铝空气全电池构建

在低温−60℃下，使用传统电解液的全电池几乎无法工作，而利用Gly-52%的电解液的全电池运行时间可达到56分钟。并且在室温下使用Gly-52%的电解液全电池测试比容量可达到1886 mAh g ⁻¹ ，远高于传统电解液的819 mAh g ⁻¹ ，同时放电电压比在传统电解液中光滑平稳，证明了丙三醇有利于铝离子均匀剥离。此外，全电池在 Gly-52%电解液中循环寿命可达到70小时，也远高于使用传统电解液的电池寿命。

图5 铝空气全电池测试。

【总结】

本文利用丙三醇分子作为电解液添加剂重构了电解液间氢键网络，在减弱水分子活性的同时降低了电解液凝固点。具有极性的丙三醇分子不但能与水分子形成氢键，打破水分子间氢键网络，也能进入阳离子溶剂鞘中替代部分水分子，减弱水分子活性，抑制铝阳极腐蚀。同时，理论计算发现丙三醇优先于水分子吸附在阳极表面，有效地隔离了阳极与水分子的接触，进一步减缓了阳极腐蚀。此外，新氢键的形成明显地降低了电解液凝固点（−89.7 ℃）。基于优化的电解液，阳极腐蚀降低至0.03 mg cm ⁻² min ⁻¹ ，全电池在常温下展现出1886 mAh g ⁻¹ 的超高容量，以及低温−60℃下可连续工作56分钟。

Chaonan Lv, Yuanxin Zhu, Yixin Li, Yuxin Zhang, Jialin Kuang, Yougen Tang, Huanhuan Li, Haiyan Wang, Hydrogen-bonds reconstructing electrolyte enabling low-temperature aluminum-air batteries, Energy Storage Materials, 2023.

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.03.034

通讯作者简介

李熠鑫中南大学化学化工学院讲师，硕士生导师，研究方向主要是水系二次电池和金属燃料电池。2012-2021年在南开大学化学学院学习，先后获得化学学士（2016年）和无机化学博士（2021年）学位，师从无机化学家陈军院士。2021年9月入职中南大学。目前发表SCI论文20余篇，近五年以第一作者和通讯作者在 J. Am. Chem.Soc., Chem, Adv. Funct. Mater.等国内外知名期刊发文10篇，主持湖南省自然科学基金青年项目，教育部重点实验室开放基金和中南大学科研启动基金。受邀担任国产高水平期刊 eScience 的青年编委。

唐有根中南大学化学化工学院，二级教授，博士生导师，化学电源湖南省重点实验室主任,中南大学化学电源与材料研究所所长，中国储能与动力电源及其材料专业委员会常务副主任兼秘书长，中国仪表材料学会常务理事，中国电池工业协会理事，中国电化学专业委员会委员，《储能科学与技术》、《功能材料》、《工业电池》编委。近年来主要从事新型能源材料与电池器件的研究，先后承担国家重点科技攻关项目、国家“863”高技术计划项目、国家自然科学基金、湖南省重点科技攻关项目等纵向项目和企业横向项目20余项。先后荣获省部级科技进步奖12项，获国家发明专利8项。出版专著和教材5部，在 Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Nano Energy 等国际知名期刊发表SCI论文120余篇。

王海燕中南大学化学化工学院教授，博士生导师，青年长江学者，香江学者，湖南省科技创新领军人才，省杰出青年基金获得者，湖湘青年英才，长沙市“3635”战略紧缺高层次人才，中南大学“升华育英”学者。担任化学电源湖南省重点实验室副主任，中国储能与动力电池及其材料专业委员会副秘书长，湖南省电池行业协会执行秘书长及专委会副主任。近几年一直从事能源材料化学和应用电化学的基础研究，目前以第一或通讯作者在 Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ Sci., Adv. Mater. 等国内外知名期刊发表论文160余篇，其中入选ESI全球高引论文13篇，热引论文4篇，论文已被他引9000余次，H指数为56。获授权国家发明专利15项，获湖南省自然科学二等奖（2020），重庆市科技进步一等奖（2017）和天津市科技进步三等奖等。

给富镍层状阴极披上一层“铠甲”，不惧生产环境侵害

2023-04-05