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中科大陳維JACS: 可960 C超高倍率充放電、循環(huán)35萬次的氫氣-質(zhì)子電池！

由于H⁺電荷載流子離子半徑小、重量輕的獨特優(yōu)點，水系質(zhì)子電池（APB）被認為是下一代電網(wǎng)存儲最有前途的能源技術(shù)之一。已經(jīng)探索了用于APB的各種材料，然而其全電池卻表現(xiàn)出不良的電化學(xué)性能，倍率能力和循環(huán)穩(wěn)定性有限。

在此，中科大陳維教授等人提出并開發(fā)了一種新型的基于氫氣的APB（稱為氫氣-質(zhì)子電池），其中H⁺用作電荷載流子以在負極上耦合高效的HER/HOR和可逆的嵌入/提取正極上的反應(yīng)，通過充分利用負極和正極與H⁺化學(xué)形成理想的組合。

該氫氣-質(zhì)子電池包括一個基于氫氣的負極和一個基于普魯士藍類似物 (PBA) 的正極，位于濃磷酸電解液中。在初始放電過程中，H₂被氣體擴散層基板上的Pt/C催化劑氧化，形成H⁺進入電解液。質(zhì)子可以在水分子之間迅速轉(zhuǎn)移，從而在PBA結(jié)構(gòu)內(nèi)立即順利地實現(xiàn)擴散和嵌入。

圖1. 氫氣-質(zhì)子電池室溫下的電化學(xué)性能

因此，該氫氣-質(zhì)子電池具有出色的倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性和超低溫性能，表現(xiàn)出前所未有的高達960 C的充電/放電能力和36.5 kW kg^-1的卓越功率密度以及超過35萬次循環(huán)的超長壽命。

此外，這種氫氣-質(zhì)子電池能夠在-80°C的超低溫下正常工作，具有室溫容量的54%，在-60°C以下的穩(wěn)定循環(huán)壽命為1150次。這項工作為構(gòu)建在極端條件下進行大規(guī)模儲能的高性能水系質(zhì)子電池提供了新的機會。

圖2. 氫氣-質(zhì)子電池的低溫性能

An Ultrafast and Ultra-Low-Temperature Hydrogen Gas-Proton Battery, Journal of the American Chemical Society 2021. DOI: 10.1021/jacs.1c09529

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