本文來自微信公眾號：X-MOLNews

水系電池具有高安全、低成本、環境友好等特點，在大規模電池儲能領域具有非常大的應用前景。至今為止，水系電池的研究一直致力於使用鹼金屬（鋰、鈉、鉀等）、鹼土金屬（鎂、鈣等）及鋅金屬電池體系，質子作為離子載體卻極少受到關注，主要原因是酸性電解液容易破壞電極結構和腐蝕電池的集流體。然而，質子卻具備其它金屬離子所沒有的優勢，例如：可持續性、最輕的摩爾質量、最小的離子半徑以及高的離子電導率。到目前為止，雖然一些正極和負極材料已經被證明能夠在酸性的電解液中穩定地儲存質子。然而，使用這些電極材料組裝全電池時，具有的倍率和迴圈效能往往還低於其它水系金屬離子電池體系。因此，探索效能優異的新型質子全電池，充分發揮質子電極的優勢，對其實際應用具有極其重要的意義。

氫氣，因其在催化劑作用下發生的氫氣氧化與還原反應表現出低過電位和長迴圈穩定性，而被認為是一種非常有前景的負極。另外，氫氣電極在酸溶液中極其穩定，且只有質子參與電化學反應，展示出快速的反應動力學，是一種天然的質子電極。近年來，陳維團隊藉助氫氣負極的特點，提出並證實了一系列可充電氫氣電池，均具有高的倍率和優異的迴圈穩定性。因此，利用氫氣負極驅動的質子載流子來構建水系質子全電池是一種理想的選擇。

近日，中國科學技術大學陳維課題組提出並證明了一種水系氫氣-質子電池。該水系氫氣-質子電池以質子作為載流子，在高濃度的9 M磷酸電解液中，巧妙地聯合了普魯士藍衍生物（PBA）質子正極與氫氣負極優異的電化學特性，形成一種理想的質子全電池。在初始放電過程中，H2負極被氧化形成H+到電解液中（式1），同時溶液中的H+插入到普魯士藍衍生物正極中（式2）。質子藉助於水分子鏈的迅速轉移，在普魯士藍衍生物結構中實現快速的擴散與插入。接下來的充電過程與放電過程相反。其總反應如式3所示：

圖1. 氫氣-質子電池的示意圖及工作原理。

該氫氣-質子電池在室溫狀態下工作時，表現出前所未有高達960 C的充放電倍率和超過35萬次的迴圈使用壽命。氫氣-質子電池如此優異的倍率及迴圈穩定性，優於目前所報道的其它水系質子全電池。

圖2. 氫氣-質子電池在室溫時工作的電化學效能。

此外，所設計的高濃度的9 M磷酸電解液不僅具有低於零下-80 ℃凝固點，並且在−60 ℃下，其電解液的離子電導率高達2.49 mS cm−1。該氫氣-質子電池能夠在−80 ℃的超低溫下正常穩定的工作。該氫氣-質子電池的超低溫特性，突出了其在極端條件下大規模儲能的巨大應用前景。

圖3. 氫氣-質子電池在超低溫狀態下的電化學的行為。

該文章發表在國際期刊Journal of the American Chemical Society 上。中國科學技術大學博士生朱正新為本文第一作者，陳維教授為通訊作者。

An Ultrafast and Ultra-Low-Temperature Hydrogen Gas−Proton Battery

Zhengxin Zhu, Weiping Wang, Yichen Yin, Yahan Meng, Zaichun Liu, Taoli Jiang, Qia Peng, Jifei Sun, Wei Chen

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c09529

作者簡介

陳維，中國科學技術大學化學與材料科學學院應用化學系特任教授，博士生導師，合肥微尺度物質科學國家研究中心教授，國家人才專案計劃入選者。2008年於北京科技大學獲材料物理學士學位；2013年於阿卜杜拉國王科技大學獲材料科學與工程博士學位，導師為Husam Alshareef教授；其後於斯坦福大學從事博士後研究工作，導師為崔屹教授；2019年7月入職中國科學技術大學。陳維教授專注於大規模儲能電池，電催化等研究，在上述領域取得了一系列科研成果。以第一作者和通訊作者身份在Nature Energy, PNAS, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials等國際期刊發表論文60餘篇，論文總被引8000餘次，H因子43。

陳維

https://www.x-mol.com/university/faculty/74206

課題組網頁

http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1