【儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學化學與材料科學學院陳維課題組在國際期刊Journal of the American Chemical Society發表了題為“Rechargeable Hydrogen-Chlorine Battery Operates in a Wide Temperature Range”的研究型論文，并被編輯選為封面文章。論文成功受到了氫氯燃料電池優點的啟發，進而將其設計為可充電氫氯電池。通過分級多孔碳正極的構建和磷酸基抗凍電解液的使用，電池可在寬溫區范圍(40 ℃至-70 ℃)內成功限制氯氣的揮發，并激發其高的充放電平臺和高比容量。在室溫下電池最大可達到4.19 mAh cm-2的高放電面容量，并在充電容量3mAh cm-2下穩定循環500圈。在超低溫條件下，電池仍然能夠維持與室溫相同的放電平臺，在-40 ℃條件下電池能夠提供273 mAh g-1的高可逆比容量，展現出良好的電化學性能。
圖1.氫氯二次電池文章被選為JACS封面。
得益于氫氣無污染和來源豐富的特點，氫燃料電池是一種很有前途的能源技術，其中氫-氯(H2-Cl2)燃料電池由于Cl2/Cl-氧化還原電對快速的電化學動力學而具有明顯的優點。因此，若將其設計為二次電池，氫氯電池可更大程度地發揮Cl2/Cl-電對的快速動力學、高氧化還原電位(1.36Vvs.SHE)和高比容量(755 mAh g-1)的優勢。鑒于以上優點，氯基電池對于新型水系電池的發展有著很大的應用前景。然而，揮發性的氯氣在充電過程中不能被保留，導致電池的庫侖效率低和可逆性差。目前還缺乏構建在不同溫度下均具有高性能和適用性的水系氯基電池的研究。
本工作在前期探究發現，由于缺乏氯氣強親和性位點，傳統的吸附型正極難以將氯氣固定，進而導致正極低的可逆性。通過設計具有豐富微/介孔多孔碳(HPC)和具有三維大孔結構的碳氈所組成的分級多孔碳結構(HPC@CF)，電池可以有效地將充電產生的氯氣限制在正極，進而實現可逆的氫氯電池(圖1)。電池在低倍率下仍能維持較高的庫倫效率，證明了其對氯氣良好的限制作用。在3mAhcm-2的充電面容量下，氫氯電池可以穩定循環500圈，展現出良好的電化學性能。除此之外，電池在超低溫下仍能良好運行，在-70℃下仍可以保持1.1 V的放電電壓和282mAhg-1的高比容量，體現出氫氯電池在超低溫下應用的前景。通過X射線光電子能譜等表征手段結合第一性原理計算，揭示了Cl2/Cl-反應發生的同時伴隨著C-Cl鍵的可逆形成/斷裂，增強了氯氣正極的可逆性。這項工作為寬溫區水性氯基電池和高能量密度氫氣電池的設計提供了新的方向。
圖2.氫氯二次電池的構造以及可逆氯氣電化學轉化正極設計。
圖3.氫氯二次電池的低溫電化學性能展示。
近年來，陳維教授課題組致力于大規模儲能電池的研究和應用開發，已在可充電氫氣電池儲能體系(Chemical Reviews122 (2022) 16610-16751;Nat. Commun.13 (2022) 2805;J. Am. Chem. Soc.143(2021) 20302-20308;Adv.Mater.35 (2023)2300502;ACS Nano17(2023) 7821-7829)，金屬離子電池儲能體系(Nat. Commun.14 (2023) 76;Angew. Chem. Int. Ed.62(2023), e202308454;Angew. Chem. Int. Ed.62(2023) e202214966;Adv.Mater.(2023) 2305368;Adv.Mater.34(2022) 2203249;Energy & Environmental Sci.(2023))等研究方向取得了一系列重要的階段性成果。
中國科學技術大學化學與材料科學學院的碩士研究生謝澤輝和博士后朱正新、劉再春為論文的共同第一作者，中國科學技術大學化學與材料科學學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心的陳維老師為該論文的通訊作者。水系氫氯電池的研究工作得到中國科大人才團隊項目、中央高校基本科研業務費專項和中科大-延長石油項目資金的資助，以及中國科學技術大學理化實驗中心和微納中心在測試表征方面提供的幫助。(化學與材料科學學院，微尺度物質科學國家研究中心，科研部)
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