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湖南大學(xué)梁宵教授課題組在水系鹵素電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
來(lái)源：湖南大學(xué) 2024-02-06
導(dǎo)讀：鋰離子電池在資源豐富性、成本效益和安全問題等方面均存在挑戰(zhàn)，急需設(shè)計(jì)本征安全、低成本、長(zhǎng)壽命的電池新體系。傳統(tǒng)水系電池比能量低（<50 Wh/Kg），水系鋅-鹵素電池因其本征安全、原材料豐富、元素價(jià)態(tài)豐富等特點(diǎn)而受到關(guān)注。梁宵教授團(tuán)隊(duì)基于前期構(gòu)建的鹵素四電子轉(zhuǎn)移電化學(xué)反應(yīng)（Nature Communications, 2021, 12, 170），利用電極的絡(luò)合效應(yīng)協(xié)同水系電解液中的鹽析效應(yīng)，有效提升了多電子轉(zhuǎn)移鹵素電池的循環(huán)穩(wěn)定性，構(gòu)建了本征安全、低成本、長(zhǎng)壽命的高比能鋅溴電池和鋅碘電池。為開發(fā)高比能、本征安全和低成本的水系電池提供了新思路和新策略。
鹵素四電子電化學(xué)反應(yīng)（X-/X2/X+，X=I或Br）所涉及的聚鹵離子（如ICl2-，Br3-，BrCl2-）在水系電解液中易溶解、水解，使得水系鹵素電池實(shí)際能量密度偏低且易衰減。該團(tuán)隊(duì)利用電極中的季銨絡(luò)合效應(yīng)增強(qiáng)聚鹵離子的化學(xué)穩(wěn)定性、水系電解液中硫酸鹽析排斥效應(yīng)，解決了聚鹵離子的溶解和水解問題，闡明了絡(luò)合-鹽析協(xié)同作用機(jī)制。該作用機(jī)制進(jìn)一步構(gòu)建了分子擁擠型的凝膠化電極，抑制了析氧、析氯副反應(yīng)，并克服了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化型正極反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)通過軟包電池展示了四電子鋅溴電池的高能量密度（106 Wh kg-1）、低材料成本（$ 28 kWh-1）、及優(yōu)異的能量效率（88.9%），在儲(chǔ)能領(lǐng)域展現(xiàn)出較大的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢(shì)。絡(luò)合-排斥策略應(yīng)對(duì)鹵素電池的水解、析氧及動(dòng)力學(xué)挑戰(zhàn)兩項(xiàng)研究成果分別以“Practical High-Energy Aqueous Zinc-Bromine Static Batteries Enabled by Synergistic Exclusion-Complexation Chemistry”、“Stabilized Four-Electron Aqueous Zinc–Iodine Batteries by Quaternary Ammonium Complexation”為題發(fā)表在Joule和Chemical Science等國(guó)際頂刊。博士研究生徐琛為Joule文章的第一作者，博士研究生蔣鵬杰為Chemical Science文章的第一作者，梁宵教授為論文通訊作者，湖南大學(xué)為唯一通訊單位。https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(23)00541-Xhttps://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/sc/d3sc06155h
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