中国科大陈维：氢气催化驱动超高倍率超低温水系有机质子电池
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文 章 信 息
超高倍率、超低温水系有机-氢气质子电池
第一作者：Shuang Liu
通讯作者：Wei Chen*
单位：中国科学技术大学
研 究 背 景
水系质子电池因其高安全性、低成本、环境友好等优势被认为是大规模储能领域极具前景的储能体系方案之一。然而，水系质子电池通常使用酸性电解液，负极材料易发生析氢副反应、材料溶解、腐蚀等问题，这使得电池循环性能差，极大限制了电池的实际应用。因此开发先进负极材料是质子电池发展面临的巨大挑战之一。基于HER/HOR电极反应的氢气电极具有过电位低、反应速度快 、稳定性好等优点，其优异的电极性能已经在氢气电池领域得到充分验证。鉴于此，本文构建了以氢气电极为负极，醌类有机电极为正极的水系有机氢气质子电池，实现了电池的超高倍率和超长循环性能，并获得了优异的低温性能。
文 章 简 介
近日，来自 中国科学技术大学的陈维教授 在国际期刊 Nano Letters 上发表题为 “Aqueous Organic Hydrogen Gas Proton Batteries with Ultrahigh-Rate and Ultralow-Temperature Performance” 的文章。该文章构建了以氢气催化电极为负极，羰基有机电极为正极的水系有机氢气质子电池（HOP），该电池表现出了优异的倍率性能和超低温性能。
图1. 水系有机氢气质子电池（HOP）的示意图及电极反应。
本 文 要 点
要点一：水系-有机氢气质子电池的构建
以四氯苯醌（TCBQ）为例，构建了水系有机氢气质子电池（HOP-TCBQ），该电池正极发生质子与羰基（C=O）的配位/脱配位反应，负极在催化剂表面发生HER/HOR反应。HOP电池可表现出~0.7 V的平均电压，在1 A g -1 电流密度下，比容量达到190.1 mAh g −1 ，接近其理论比容量（218 mAh g −1 ）。即使在100 A g -1 高电流密度下，电池比容量仍可高达71.4 mAh g −1 ，并可稳定循环10万圈。
图2. HOP-TCBQ电池在常温下的电化学性能。
要点二：正极动力学及机理研究
不同扫速下的CV测试表明，电极反应受扩散控制。GITT测试证明，质子扩散系数在10−12 ~ 10−7 cm 2 s −1 间，与目前水系质子电池质子扩散系数相当。非原位XRD和非原位红外测试表明，电池在充放电过程中，正极在TCBQ和TCBQ-H之间发生可逆的电极反应。
图3. (a)不同扫描速率CV曲线对应的log[i] vs log[v]图。(b)根据GITT 曲线所计算出的H+的扩散系数。(c) 0.1 A g −1 下，HOP-TCBQ电池前两圈的充放电曲线。图(c)标记点对应的非原位XRD图(d)，和非原位FTIR光谱(e)。
要点三：HOP-TCBQ电池低温性能研究
HOP-TCBQ 电池在-40 °C 下，0.1 A g -1 电流密度下可以输出 160.9 mAhg -1 的高容量。在电流密度高达 5 A g -1 时，比容量可达到 60.9 mAh g -1 ，并在 20000 次循环后保持初始容量的92%。当温度进一步降低到-70 °C时，电池可在0.5 A g -1 的电流密度下可输出50 mAh g-1 的容量，并可稳定循环超过 400 圈，这表明 HOP-TCBQ 电池在极寒环境下的实际应用具有巨大潜力。
图 4. HOP-TCBQ 电池在低温下的电化学性能。(a、b）-40 °C下，电流密度为 0.1 至 5 A g -1 时的放电/充电曲线（a）和 5 A g -1 时的循环性能。(c、d）-70 °C下，电流密度为 0.1 至 5 A g -1 时的放电/充电曲线（c）以及 5 A g -1 时的循环性能（d）。
要点四：软包电池的组装与性能
HOP-TCBQ质子电池在扩大至3×9 cm 2 尺寸后，在0.6 mA cm -2 的条件下，可实现 12 mAh 的放大容量，极化电压低至148.5 mV，并可稳定循环超过 500 次，库伦效率高达 98% 以上，这显示出 HOP 电池在大规模储能应用领域的广阔前景。
图 5. HOP-TCBQ 软包电池的组装和电化学性能。(a) 电极和隔膜照片。(b) HOP-TCBQ 软包电池照片。HOP-TCBQ 软包电池在 0.6 mA cm -2 时的 GCD 曲线（c），倍率性能（d）以及在 0.6 mA cm -2 时的循环性能（e）。
文 章 链 接
“Aqueous Organic Hydrogen Gas Proton Batteries with Ultrahigh-Rate and Ultralow-Temperature Performance”
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01304
通 讯 作 者 简 介
陈维 ，中国科学技术大学应用化学系特任教授、博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位；2014-2018年于斯坦福大学从事博士后研究工作；2018-2019年在EEnotech公司担任科学家；2019年7月入职中国科学技术大学，专注于大规模储能电池、电催化等研究。独立建组以来，作为(共同)通讯作者在Chemical Reviews, Nature Communications (2), Joule, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition (3), Advanced Materials (3), Advanced Energy Materials (4), Advanced Functional Materials, Nano Letters (9), ACS Nano, ACS Catalysis, eScience (2), Energy Storage Materials (6) 等国际期刊发表学术论文50余篇，论文总被引10000余次，H因子50。研究成果获得美国专利5项，中国发明专利20余项。担任eScience, Nano Research Energy, Energy Materials Advances, Battery Energy, Carbon Energy, Chinese Chemical Letters, Transactions of Tianjin University杂志青年编委，Interdisciplinary Materials杂志学术编委，Catalysts杂志编委。
课 题 组 介 绍
陈维课题组网页： http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1
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