具有鐵（Fe）金屬負極的水系電池是一種很有前途的安全、低成本的固定存儲技術。Fe可以提供高的重量和體積容量，但其商業可行性受到競爭性副反應和低庫侖效率的阻礙。基于此，斯坦福大學崔屹院士（通訊作者）等人報道了聚乙二醇（PEG）作為擁擠劑在鐵電解液中抑制競爭性析氫反應（HER）和提高Fe電鍍/剝離效率的可行性。在1 mol的Fe電解液（Fe(OTf)2）中，采用60% PEG/40% H2O作為溶劑，Fe||Cu半電池的庫侖效率更高，Fe||Fe對稱電池的循環壽命是由100% H2O溶劑組成的對照組的兩倍以上。此外，作者發現60%的PEG電解液在循環過程中減少了近10倍的氫氣（H2）生成。這種電解液工程方法還可以在電鍍過程中產生更多的結晶鐵核和更密集的生長，從而產生高度致密和可逆的Fe負極。本研究結果進一步推動了分子擁擠電解液的發展，用于高效Fe金屬負極。
相關工作以《Crowding Agent Stabilizes Aqueous Electrolyte for Reversible Iron Metal Anode》為題發表在2025年2月3日的《ACS Energy Letters》上。
崔屹，納米材料科學家，美國國家科學院院士，斯坦福大學終身教授、博士生導師。1998年在中國科學技術大學獲理學學士學位；2002年在美國哈佛大學獲博士學位；2003年在加州大學伯克利分校從事博士后研究。29歲入職斯坦福大學，44歲成為斯坦福能源研究所的首位華裔主任。主要研究內容為納米材料在能量存儲、光伏器件、拓撲絕緣體、生物及環境等方向的應用。
崔屹教授2005年進入斯坦福任教，19年來在他的斯坦福實驗室受訓的博士已經超過160位，培養出了超過90位教授，遍布世界名校。
作者利用四種電解液分別組裝了Fe||Cu半電池。0% PEG電解質的首循環庫侖效率（CE）最低，為40%，而60% PEG體系的首循環CE最高，為68%。70% PEG電解液的初始CE為60.1%，略低于50% PEG體系的初始CE為64.5%。值得注意的是，0% PEG電解質在第1次循環中具有最低的鍍層過電位，而隨著離子電導率的降低，PEG含量的增加會增加過電位。
60% PEG在第18次循環中首先達到60-90%的CE，70%、50%和0%電解液的CE分別為82.7%、82.1%和76%。因此，60% PEG具有穩定的電壓分布，平均CE最高。作者還用60% PEG和對照0% PEG電解液組裝了軟包電池。軟包電池的第1次循環CE為68.45%，而扣式電池為68%。組裝的Fe||Fe對稱扣式電池，在0.2 mA cm-2和0.2 mAh cm-2下，0% PEG電池僅在20 h后就開始短路，24 h后就不能再運行。
圖2.電解液中不同PEG含量的Fe金屬負極的電化學性能
作者制備了Fe||Cu半電池，在與之前使用的相同電流參數（0.2 mA cm-2、0.2 mAh cm-2）下循環10次電鍍和剝離循環。循環后，0% PEG體系在10次循環中產生0.112 mmol H2，而60% PEG體系在10次循環中平均產生0.0124 mmol H2，表明當引入60% PEG時，H2的析出量減少了近10倍。在0%和60% PEG兩種電解液中，Fe2+平均被6個H2O分子溶解，陽離子-陰離子配對沒有顯著差異。Fe2+溶劑化的主要區別在于60% PEG的電解質將一些PEG引入到第二溶劑化殼層，但對第一殼層H2O中質子酸度的影響尚不清楚。與0% PEG電解液相比，60% PEG電解液中溶解Fe2+的水分子本身較少被其他水分子溶解，突出了PEG在破壞H2O-H2O氫鍵方面的有效性。結果表明，PEG確實破壞了H2O氫鍵網絡。
圖3. 0%和60% PEG電解液中析出H2和物種溶劑化
Crowding Agent Stabilizes Aqueous Electrolyte for Reversible Iron Metal Anode. ACS Energy Lett., 2025
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