中科大陈维课题组AFM：一种稳定的水系碘-氢气电池

▲第一作者：朱正新（在读博士）

通讯作者：陈维（特任教授）

通讯单位：中国科学技术大学

论文DOI：10.1002/adfm.202101024

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中科大陈维教授课题组通过匹配固液反应的碘正极与气液反应的氢气负极，组建了一种全新的碘-氢气电池。该电池不仅实现了100 C高的倍率与60000圈长的循环稳定，而且展示了15.5 Ah L⁻¹高的体积容量与耐过充能力。另外，设计的静态碘-氢气电池能够在不同的酸碱环境进行良好稳定地工作。该研究成果发表在Advanced Functional Materials。

背景介绍

可再生能源的间歇性问题促使了可充电电池技术用于大规模储能的快速发展。锂离子电池因其高的能量密度与先进的工艺受到了广泛的关注。然而，易燃有机电解液在传统的锂离子电池中，容易在大规模使用过程中造成巨大的安全隐患。相比之下，水系电池展示出了高的安全性和快速又稳定的充放电能力，进而有望被使用在大规模储能上。

据研究，氢气电极在催化方面表现出的析氢反应与氢气氧化反应 (HER/HOR)，具有低的过电位以及良好的稳定性。至此，我们课题组近年来开发出了一系列新型可充电水系氢气电池。例如：已经发展的镍-氢气、锰-氢气、锂嵌入化合物-氢气以及铁-氢气电池均展示出了优异的倍率与长的循环稳定性。因此，氢气电极优异的特性促使我们对更多氢气电池体系进行探索。

众所周知，液相的电极反应往往在充放电速率与稳定性方面优于一些固相转化反应。其中，I₃⁻/I⁻氧化还原对反应具有高的溶解度（> 8 M）、低的成本与适中的电极电位（0.534 V vs SHE），而被广泛应用于液流电池的正极。然而，在其工作过程中，常常需要使用较昂贵的离子交换膜。因此，通过固定单质碘到正极，不仅可抑制I₃⁻的穿梭，而且可去除对离子交换膜的使用。因此，一系列碘-金属电池体系被相继报道。然而，金属枝晶的形成和钝化层导致电池在长时间循环中易失效。因此，为了获得理想的高容量、快速的动力学和长期稳定性能，匹配碘正极与高度可逆且稳定的负极值得探索。

本文亮点

通过匹配固液反应的碘正极与气液反应的氢气负极，组建了一种全新的水系碘-氢气（I₂-H₂）电池。与传统的液流电池不同，我们设计的静态水系I₂-H₂电池不含有循环系统及离子交换膜，大大地降低了电池的制造成本。该设计的电池体系不仅实现了100 C高的倍率与60000圈长的循环稳定，而且展示了15.5 Ah L⁻¹高的体积容量与耐过充能力。另外，碘-氢气电池能够在不同的酸碱环境进行良好稳定地工作，为大规模储能商业化应用开辟了一条新的途径。

图文解析

▲图1，碘-氢气电池的结构与工作原理

设计的碘-氢气电池主要由正极（活性炭负载在钛箔）、负极（商业铂碳负载在气体扩散层）与玻璃纤维隔膜组成。通过磷酸缓冲溶液使电解液在充放电过程中保持中性。在充电过程中，氢气在负极析出，同时单质碘在正极沉积。放电过程中，氢气在负极被氧化，同时单质碘还原成碘离子。相应的反应如下所示：

▲图2，碘-氢气电池在中性电解液中的电化学性能

我们研究了碘-氢气电池的电化学性能。通过CV可以看出一对明显的氧化还原峰1.07 V/0.93 V，通过充放电曲线可以看出一对明显的充放电电压平台1 V/0.84 V。该电池能够在100 C的高倍率下工作，且60000圈循环后的容量几乎无衰减。在充分利用所添加的电解液条件下，该电池展示了15.5 Ah L⁻¹的体积容量，并具有81.5%的高能量效率。我们设计的碘-氢气电池与其它报道的碘-金属电池相比，在工作电流倍率与循环寿命上具有极大的优势。

▲图3，碘-氢气电池的过充自愈能力

其次，我们对碘-氢气电池的过充自愈能力进行了测试，可以看出，当电池发生过度充电池，再进行正常的工作，该电池依然能够像正常工作时一样，稳定的进行循环工作。

▲图4，碘-氢气电池在酸性及碱性电解液中的电化学性能

最后，我们探索了设计的碘-氢气电池在酸性与碱性电解液中的电化学性能。可以看出电池在酸性情况下表现出好的倍率性能，在碱性情况下表现出高的放电电压平台。

总结与展望

通过将固-液I₂/I⁻正极与气-液H₂/H₂O负极进行耦合，我们成功设计了一种新型的静态I₂-H₂电池。该水系电池表现出良好的循环稳定性，循环次数超过60000次，放电容量高达15.5 Ah L⁻¹，当使用更高溶解度的电解液时，电池的容量可以进一步提高。I₂-H₂电池在电池过度充电时，表现出良好的自愈能力。同时，我们在全pH值电解液中研究了I₂-H₂电池的电化学性质，都显示出了良好的反应动力学，高的工作电压，长的循环稳定性。我们设计的I₂-H₂电池为将来电网式储能应用提供了一条新的路径。

文献信息

Zhengxin Zhu, Yahan Meng, Yi Cui, Wei Chen*. An Ultrastable Aqueous Iodine-Hydrogen Gas Battery, Adv. Funct. Mater. 2021

DOI: 10.1002/adfm.202101024

https://doi.org/10.1002/adfm.20210102

作者介绍

陈维，中国科学技术大学化学与材料科学学院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，国家人才项目计划入选者。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，导师为Husam Alshareef教授；其后于斯坦福大学从事博士后研究工作，导师为崔屹教授；2019年7月入职中国科学技术大学。陈维教授专注于大规模储能电池，电催化等研究，在上述领域取得了一系列科研成果。以第一作者和通讯作者身份在Nature Energy, PNAS, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials等国际期刊发表论文50余篇，论文总被引7000余次，H因子40。

陈维老师课题组网页：

http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1

参考文献：

1. Wei Chen#, Guodong Li#, Allen Pei, Yuzhang Li, Lei Liao, Hongxia Wang, Jiayu Wan, Zheng Liang, Guangxu Chen, Hao Zhang, Jiangyan Wang, Yi Cui*, A Manganese-Hydrogen Battery with Potential for Grid-Scale Energy Storage, Nature Energy, 2018, 3, 428-435.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-018-0147-7

2. Wei Chen, Yang Jin, Jie Zhao, Nian Liu, Yi Cui*, Nickel-Hydrogen Batteries for Large-Scale Energy Storage, Proceedings of the National Academy of Sciences, U. S. A. 2018, 115 (46), 11694-11699.

DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1809344115

3. Guodong Li#, Wei Chen#, Hao Zhang#, Yongji Gong, Feifei Shi, Jiangyan Wang, Rufan Zhang, Guangxu Chen, Yang Jin, Tong Wu, Zhiyong Tang, Yi Cui*, Membrane-Free Zn/MnO₂ Flow Battery for Large-Scale Energy Storage, Advanced Energy Materials, 2020, 10, 1902085.

DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.201902085

4. Zhengxin Zhu, Mingming Wang, Yahan Meng, Zihan Lin, Yi Cui*, Wei Chen*, A High-Rate Lithium Manganese Oxide-Hydrogen Battery, Nano Letters, 2020, 20, 5, 3278-3283.

DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00044

5. Zhengxin Zhu, Xiang Zhang, Mingming Wang, Wei Chen*, Lithium Intercalation Compounds-Hydrogen Gas Batteries, Chemical Journal of Chinese Universities, 2021, 42, 5, 1610-1618.

DOI: https://doi.org/10.7503/cjcu20200514

6. Zhengxin Zhu, Yahan Meng, Mingming Wang, Yichen Yin, Wei Chen*, A High Performance Aqueous Iron-Hydrogen Gas Battery, Mater. Today Energy, 2021, 19, 100603.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.mtener.2020.100603