中国科大陈维EES：突破传统的自充电水系氢气电池

锂电联盟会长 2024-04-24 12:26 843浏览 0评论 0点赞

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研究背景

可充电池被认为是便携式电子设备和电网规模储能应用领域具有前途的候选者之一。然而，在一些特殊情况下，如恶劣环境、偏远地区和应急电源，电池的再充电和再利用往往受到电力短缺的限制。为了方便地获取能量，包括光伏发电、压电纳米发电机和热电在内的各种智能自供电系统已经被集成应用到可充电池中。然而，这些自供电系统中各种应用能源的间歇性及低的能量密度阻碍了其进一步的应用空间。因此，开发一种简便且低成本的自供电系统对于电池在一些苛刻环境下的应用非常关键。

空气中的氧气被认为是一种丰富且无成本的资源，并且其氧化还原反应在储能领域引起了广泛关注。因此，通过向电池中输入氧气来整合额外的能量是实现电池自充电相对有效的方法。最近，借助空气中氧气的化学作用，科研人员已经开发了多种化学自充电水系金属基电池，报道了基于无机金属电极(如普鲁士蓝(PBA)、金属氧化物)和有机电极被氧气自发氧化的自充电水系金属基电池。然而，上述开发的自充电电池通常在自充电过程中产生大量OH^-，在随后的放电过程中金属负极材料氧化产生大量的金属离子(Mⁿ⁺)。因此，电解液中产生的金属离子和OH-倾向于在电极上形成固态的金属氢氧化物副产物(M(OH)_n)，这阻碍了电极反应的进一步发生，并导致自充电电池快速失效。

研究内容

在此，中国科学技术大学陈维教授提出了一种新型的自充电水系氢气电池体系，并通过三种不同的工作模式实现水系氢气电池的自充电，即化学自充电、短路诱导自充电和低能量输入诱导准自充电。通过空气或者氧气，对水系氢气电池进行自充电，在自充电与放电循环过程中仅涉及OH^-和H⁺(即H₂O)的生成，无固体副产物的生成，提高了电池的循环稳定性，具有90-100%的高容量保留率。其中，短路诱导自充电氢气电池的自充电容量仅在15分钟内就能充至76%，低能量输入诱导准自充电电池可以实现1.69 V的高输出电压。相关工作以《Self-charging aqueous hydrogen gas batteries》为题在《Energy & Environmental Science》上发表。本论文的第一作者是中国科学技术大学博士后朱正新，通讯作者为陈维教授。

图文导读

图1. (a)自充电水系金属基电池的工作示意图；(b)自充电水系氢气电池的工作示意图

▲自充电水系氢气电池在放电过程中，负极处的氢气在Pt/C催化剂的作用下转变成H⁺，释放在电解液中。然而，在随后的自充电过程中，O₂反应生成OH^-与之前放电过程中产生的H⁺相结合成清洁的水分子。在自充电与放电循环中，生成的水能够巧妙地通过后续的气体流动和液体挥发被移除。

图2. 化学自充电I₂-H₂电池

▲作者以化学自充电I₂-H₂电池为例，对化学自充电的模式进行了探索。在电池自充电过程中，O₂将电解液中的I^-氧化为固态I₂，固态I₂在正极活性炭上积累，同时生成OH^-与电解液中的H⁺耦合生成水。在整个自充电过程中，Pt/C电极上没有发生任何反应。

图3. 短路诱导自充电PBA-H₂电池

▲随后，作者以短路诱导自充电PBA-H₂电池为例，对短路诱导自充电的模式进行了探索。在自充电过程中，引入的O₂能够取代原先Pt/C电极上的H₂，作为高效的氧气还原反应(ORR)电极。然而，其它自充电金属基电池缺乏气体电极结构，无法满足短路诱导自充电方法的要求。当在Pt/C催化剂上切换到O₂作为电催化电极时，它可以通过外部短路诱导的操作与放完电的PBA电极耦合。因此，PBA的放电产物可以通过快速的电化学氧化反应(Na⁺的脱出)完全恢复到其充电状态。

图4. 低能量输入诱导准自充电PbO₂-H₂电池

▲最后，作者以低能量输入诱导自充电PbO₂-H₂电池为例，对低能量输入自充电的模式进行了探索。为了增加自充电电池的输出电压，作者采用电极电位高的PbO₂作为自充电氢气电池的正极材料。同样地，引入O₂取代原先Pt/C电极上的H₂，作为高效的ORR电极。在电池的自充电过程中，耦合电催化型的O₂电极和PbO₂电极。与短路诱导自充电过程不同的是，低能量输入诱导自充电PbO₂-H₂电池因ORR电位小于PbO₂/PbSO₄氧化还原电位，则需要额外的能量输入来驱动电池反应的发生。

图5. 自充电水系氢气电池在不同工作模式下的比较和实际应用展示

▲化学自充电方法旨在应用于电位低于ORR的易氧化正极材料。因此，这些化学自充电电池通常在水系电解液中提供相对较低的工作电压(<1.2 V)，这也在最近的文献报道中得到了证实。对于短路诱导自充电方法，正极材料的电位接近于ORR的电位。此外，低能量输入诱导准自充电方法适用于电极电位高的正极材料，能够通过较低的能量输入去实现高的能量输出。

文献信息

Self-charging aqueous hydrogen gas batteries

Zhengxin Zhu, Zehui Xie, Weiping Wang, Zaichun Liu, Mingming Wang, Yahan Meng, Qia Peng, Shuang Liu, Taoli Jiang, Kai Zhang, Hongxu Liu, Yirui Ma, Wei Chen*

Energy Environ. Sci., 2024, Accepted Manuscript

https://doi.org/10.1039/D3EE03913G

作者介绍

通讯作者介绍

陈维，中国科学技术大学应用化学系教授、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，专注于储能电池与电催化研究。独立建组以来，作为(共同)通讯作者在Chemical Reviews, Nature Communications (2), Joule (2), Journal of the American Chemical Society (3), Angewandte Chemie International Edition (4), Advanced Materials (4), Energy & Environmental Science (2), Advanced Energy Materials (5), Advanced Functional Materials, Nano Letters (10), ACS Nano (2), ACS Energy Letters, ACS Catalysis, eScience (2), Energy Storage Materials (6)等国际期刊发表学术论文70余篇，论文总被引12000余次，H因子53。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等多个杂志青年编委。

陈维课题组网页：http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1

第一作者介绍

朱正新，中国科学技术大学，合肥微尺度物质科学国家研究中心博士后。2017年于中国地质大学(武汉)获应用化学学士学位；2022年于中国科学技术大学获无机化学博士学位；后于中国科学技术大学从事博士后研究工作。迄今已经发表SCI论文40篇，其中以第一作者(含共一)身份在Chem. Rev.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc. (2)、Adv. Mater.、JACS Au、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际期刊发表论文14篇，累计引用1000余次，h因子16，获授权专利两项。主持国家自然科学基金青年项目、安徽省自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目与校青年创新重点基金项目。曾获得中科院院长优秀奖学金、国家奖学金、校优秀博士论文、微尺度优秀博士后等奖项。

来源：水系储能

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