中國科大在水系氫氯電池研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院陳維課題組在國際期刊Journal of the American Chemical Society發(fā)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(yōu)點(diǎn)的啟發(fā)，進(jìn)而將其設(shè)計(jì)為可充電氫氯電池。通過分級多孔碳正極的構(gòu)建和磷酸基抗凍電解液的使用，電池可在寬溫區(qū)范圍（40 ℃至-70 ℃）內(nèi)成功限制氯氣的揮發(fā)，并激發(fā)其高的充放電平臺(tái)和高比容量。在室溫下電池最大可達(dá)到4.19 mAh cm-2的高放電面容量，并在充電容量3mAh cm-2下穩(wěn)定循環(huán)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(tái)，在-40 ℃條件下電池能夠提供273 mAh g-1的高可逆比容量，展現(xiàn)出良好的電化學(xué)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(diǎn)，氫燃料電池是一種很有前途的能源技術(shù)，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(xué)動(dòng)力學(xué)而具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。因此，若將其設(shè)計(jì)為二次電池，氫氯電池可更大程度地發(fā)揮Cl2/Cl-電對的快速動(dòng)力學(xué)、高氧化還原電位（1.36Vvs.SHE）和高比容量（755 mAh g-1）的優(yōu)勢。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，氯基電池對于新型水系電池的發(fā)展有著很大的應(yīng)用前景。然而，揮發(fā)性的氯氣在充電過程中不能被保留，導(dǎo)致電池的庫侖效率低和可逆性差。目前還缺乏構(gòu)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(fā)現(xiàn)，由于缺乏氯氣強(qiáng)親和性位點(diǎn)，傳統(tǒng)的吸附型正極難以將氯氣固定，進(jìn)而導(dǎo)致正極低的可逆性。通過設(shè)計(jì)具有豐富微/介孔多孔碳（HPC）和具有三維大孔結(jié)構(gòu)的碳?xì)炙M成的分級多孔碳結(jié)構(gòu)（HPC@CF），電池可以有效地將充電產(chǎn)生的氯氣限制在正極，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)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(wěn)定循環(huán)500圈，展現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。除此之外，電池在超低溫下仍能良好運(yùn)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(xiàn)出氫氯電池在超低溫下應(yīng)用的前景。通過X射線光電子能譜等表征手段結(jié)合第一性原理計(jì)算，揭示了Cl2/Cl-反應(yīng)發(fā)生的同時(shí)伴隨著C-Cl鍵的可逆形成/斷裂，增強(qiáng)了氯氣正極的可逆性。這項(xiàng)工作為寬溫區(qū)水性氯基電池和高能量密度氫氣電池的設(shè)計(jì)提供了新的方向。

圖2.氫氯二次電池的構(gòu)造以及可逆氯氣電化學(xué)轉(zhuǎn)化正極設(shè)計(jì)。

圖3.氫氯二次電池的低溫電化學(xué)性能展示。

近年來，陳維教授課題組致力于大規(guī)模儲(chǔ)能電池的研究和應(yīng)用開發(fā)，已在可充電氫氣電池儲(chǔ)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(chǔ)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。