高电压水系氢离子储能体系设计策略——快速阴离子氧化还原反应的调控

由于锂资源的稀缺和大规模开采，研究人员逐渐将精力转向了以非锂离子为载体的可充电电化学储能体系的开发。其中，氢离子以其离子半径小、相对原子质量低、成本低、资源丰富等优点被认为是理想的电荷载体。同时，高离子电导率和小尺寸的氢离子有利于快速插层反应和表面氧化还原反应，为高功率储能提供了重要机遇。然而，以应用为出发点时，有效的两电极体系构建尤为重要，而较低的工作电压和匹配的两电极比容量可能成为短板。究其原因：（1）从电催化角度来看，酸性条件下析氢反应阻碍负电位的拓宽，造成以氢离子作为单一电荷载体的体系电化学窗口较窄；（2）能存储氢离子的金属氧化物或聚合物材料正电位窗口有限。因此，为实现高电压高功率氢离子储能体系，调控负极析氢动力学来拓宽负极窗口，同时引入高电位下氧化还原反应的阴离子是一种有效的途径。

图一、电极材料，全电的循环伏安曲线

最近，同济大学的杨晓伟教授（点击查看介绍）课题组在高电压水系氢离子储能体系研究方向取得新的进展，并为高电压水系氢离子全电体系设计提供重要的思路。他们借鉴锂离子电池中摇椅模式及双离子模式经验，认为阴阳离子存储的体系将会提供一个宽的电位窗口。为了尽可能拓宽酸性电解液的负极电化学稳定窗口，他们首先研究了可以和氢离子发生氧化还原反应的MXene（Ti₃C₂T_x）电极材料的析氢反应动力学特性，发现氢吸附能力较强而脱附能力较弱，从而可以获得可逆的H⁺氧化还原反应，同时负极稳定电位可扩展至-0.7 V （vs Ag/AgCl）。但MXene的正极稳定性较差，其对称两电极体系的稳定电压不超过0.8 V。为此，他们采用孔隙高度连通的石墨烯水凝胶薄膜作为正极，其稳定工作电位高达1.2 V（vs Ag/AgCl）， rGO//Ti₃C₂T_x两电极的工作电压可达到1.8 V。为进一步提升能量密度，基于rGO对卤素离子良好的吸附作用，引入含Br^-的氧化还原功能性电解质。结果表明：Br^-/Br₃^-在rGO电极的高电位、阴离子吸脱附区间可以进行快速可逆的氧化还原反应，有效提升了高电位下的容量。同时，由于阴、阳离子均是在电极表面参与氧化还原反应，所以最终得到的全电体系具有优异的倍率性能：在功率密度高达22.5 kW kg^-1情况下还能保持近70%的能量。该研究不仅实现了氢离子储能体系的高容量、高电压，且发挥出氢离子储能体系的高功率特性，在高功率、高电压氢离子储能体系的设计上具有重要的指导意义。

相关研究成果发表在Angewandte Chemie，第一作者为博士生王胜平。

该论文作者为：Shengping Wang, Xiaoli Zhao, Xiaojun Yan, Ziwei Xiao, Congcong Liu, Yijie Zhang, Xiaowei Yang*

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Regulating Fast Anionic Redox for High-Voltage Aqueous Hydrogen-Ion based Energy Storage

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201811220

导师介绍

杨晓伟

http://www.x-mol.com/university/faculty/17097

（本稿件来自Wiley）