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可充電水系電池由于其高安全性和低成本而成為大規模儲能的潛在系統。然而，開發具有高可持續性、可負擔性和可逆性的水系電池是緊迫和具有挑戰性的。

在此，南開大學陳軍團隊報告了一種由蒽醌(AQ)負極、兩性羥基乙酸鋁 (AlAc(OH)₂) 電解質和氫氧化鎳 (Ni(OH)₂) 正極組成的電池系統。其中，AlAc(OH)₂電解質具有雙極性電離H⁺和OH^–的能力，可促進AQ負極和Ni(OH)₂正極的氧化還原反應。原位pH測試證明了H⁺/OH^–在充放電過程中的消耗和釋放。

此外，通過原位紫外可見光譜證明了局部堿性環境提高了Ni(OH)₂正極的循環穩定性和可逆性，而AQ負極的質子化導致形成未離解的O-H共價鍵，限制了AQ/H2AQ負極的溶解性。通過XRD、拉曼、NMR和DFT計算證明了電極材料的氧化還原反應機理。總的來說，設計的AQ | | Ni(OH)₂電池表現出低電極溶解、無O₂/H₂產生和高可逆性，300次循環后AQ負極的放電容量為243.9 mAh g^-1，容量保持率為78.2%，具有高度可逆性。

圖1. AlAc(OH)₂?水系電解質的 H⁺?/OH^–?電離機制和電解質結構

總之，該工作報告了一種兩性羥基乙酸鋁（AlAc(OH)₂）電解質，它具有H⁺和OH^–雙極電離能力，可促進蒽醌（AQ）負極和氫氧化鎳（Ni(OH)₂）正極的氧化還原反應。具體來說，H⁺的吸收可防止AQ負極形成離子鍵，抑制電極溶解，而OH^–則為Ni(OH)₂正極的穩定轉化反應提供了局部堿性環境。

結果顯示，設計的AQ||Ni(OH)₂?電池中的 AQ 負極放電容量為 243.9 mAh g^-1，循環 300 次后容量保持率為 78.2%。此外，還組裝出了一個放電容量為 0.90 Ah 的軟包電池，根據電池總質量計算，能量密度為 44.7 Wh kg^-1。因此，該項工作極大地拓寬了水系電池的類型，體現了雙極電解質以及與H⁺和OH^–發生不同電化學反應的設計理念。

圖2. AQ|AlAc(OH)₂|Ni(OH)₂?全電池的電化學特性和性能

Sustainable Aqueous Batteries Based on Bipolar Dissociation of Aluminum Hydroxyacetate Electrolyte,?Journal of the American Chemical Society?2024 DOI: 10.1021/jacs.3c13963

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南開JACS：基于羥基乙酸鋁電解質雙極離解的可持續水系電池

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