近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳維課題組首次提出了氫氣電極作為正極的電池化學(xué)新體系，為基于氫氣正極設(shè)計(jì)高性能電池提供了一種新途徑。研究成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》。
可充電鋰金屬-氫氣電池結(jié)構(gòu)和工作示意圖。中國科大供圖
氫氣作為最具前景且經(jīng)濟(jì)高效的可再生資源之一，憑借其合適的氧化還原電位、低過電位以及長期穩(wěn)定性，可在與高活性電催化劑結(jié)合時(shí)成為一種極具吸引力的電池電極材料。自20世紀(jì)60年代以來，可充電的鎳-氫氣電池化學(xué)因其高穩(wěn)定性、可靠性和耐久性，已被美國國家航空航天局成功應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域超過30年。
近年來，陳維課題組聚焦于氫氣電池，創(chuàng)制了不同類型的氫氣電池體系，包括先進(jìn)的鎳-氫氣電池、鹵素-氫氣電池、質(zhì)子-氫氣電池以及碳-氫氣電池等，以其卓越的循環(huán)穩(wěn)定性重新受到關(guān)注，并在大規(guī)模儲能中展現(xiàn)出巨大潛力。這些體系的電池均將氫氣電極用作負(fù)極，并且只能在0.8至1.4V的有限工作電壓下運(yùn)行，能量密度相對較低。
研究人員認(rèn)為，氫氣的優(yōu)異氧化還原特性不僅使其可作為負(fù)極，還可作為極具潛力的正極，與低電位負(fù)極配對。基于氫氣正極的電池在與堿金屬負(fù)極結(jié)合時(shí)，可展現(xiàn)出更高的能量密度和工作電壓。其中，鋰金屬負(fù)極在高電壓和高能量密度的氫氣電池應(yīng)用中具有巨大潛力。
研究人員利用最輕的兩種元素鋰和氫，首次開發(fā)了一種可充電鋰金屬-氫氣電池。氫氣正極的優(yōu)異特性使該電池展現(xiàn)出極具吸引力的電化學(xué)性能。此外，作者進(jìn)一步構(gòu)建了一種無負(fù)極可充電鋰金屬-氫氣電池，在首次充電時(shí)，從低成本的鋰鹽中沉積鋰金屬生成負(fù)極，進(jìn)一步提升了電池的實(shí)際能量密度和經(jīng)濟(jì)適用性。該工作為基于氫氣正極設(shè)計(jì)高性能儲能電池提供了一種新途徑。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/ange.202419663
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