【人物与科研】中科大陈维课题组AFM：一种稳定的水系碘-氢气电池

导语

可再生能源的间歇性问题促使了可充电电池技术用于大规模储能的快速发展。锂离子电池因其高的能量密度与先进的工艺受到了广泛的关注。然而，易燃有机电解液在传统的锂离子电池中，容易在大规模使用过程中造成巨大的安全隐患。相比之下，水系电池展示出了高的安全性和快速又稳定的充放电能力，有望被使用在大规模储能上。

据研究，氢气电极在催化方面表现出的析氢反应与氢气氧化反应（HER/HOR），具有低的过电位以及良好的稳定性。至此，我们课题组近年来开发出了一系列新型可充电水系氢气电池。例如：已经发展的镍-氢气、锰-氢气、锂嵌入化合物-氢气以及铁-氢气电池均展示出了优异的倍率与长的循环稳定性。因此，氢气电极优异的特性促使我们对更多氢气电池体系进行探索。

众所周知，液相的电极反应往往在充放电速率与稳定性方面优于一些固相转化反应。其中，I₃⁻/I⁻氧化还原对反应具有高的溶解度（> 8 M）、低的成本与适中的电极电位（0.534 V vs SHE），因此被广泛应用于液流电池的正极。然而，在其工作过程中，常常需要使用较昂贵的离子交换膜。然而，通过固定单质碘到正极，不仅可抑制I₃⁻的穿梭，而且可去除对离子交换膜的使用。因此，一系列碘-金属电池体系被相继报道。但是，金属枝晶的形成和钝化层导致电池在长时间循环中易失效。因此，为了获得理想的高容量、快速的动力学和长期稳定性能，匹配碘正极与高度可逆且稳定的负极值得探索。

近日，来自中国科学技术大学的陈维教授，在国际期刊Advanced Functional Materials上发表题为“An Ultrastable Aqueous Iodine-Hydrogen Gas Battery”（DOI: 10.1002/adfm.202101024）的研究型文章。该文章通过匹配固液反应的碘正极与气液反应的氢气负极，组建了一种全新的碘-氢气电池。该电池不仅实现了100 C的高倍率与60000圈的长循环稳定，而且展示了15.5 Ah L^-1的体积容量与耐过充能力。另外，设计的静态碘-氢气电池能够在不同的酸碱环境进行良好稳定地工作。

陈维教授简介

陈维，中国科学技术大学化学与材料科学学院应用化学系特任教授，博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授，国家人才项目计划入选者；2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位，导师为Husam Alshareef教授；其后于斯坦福大学从事博士后研究工作，导师为崔屹教授；2019年7月入职中国科学技术大学。陈维教授专注于大规模储能电池、电催化等研究，在上述领域取得了一系列科研成果；以第一作者和通讯作者身份在Nature Energy、PNAS、Nano Letters、ACS Nano、Advanced Energy Materials等国际期刊发表论文50余篇，论文总被引7000余次，H因子40。

前沿科研成果

一种稳定的水系碘-氢气电池

要点一：碘-氢气电池的结构与工作原理

设计的碘-氢气电池主要由正极（活性炭负载在钛箔）、负极（商业铂碳负载在气体扩散层）与玻璃纤维隔膜组成。通过磷酸缓冲溶液使电解液在充放电过程中保持中性。充电过程中，氢气在负极析出，同时单质碘在正极沉积。放电过程中，氢气在负极被氧化，同时单质碘还原成碘离子。相应的反应如下所示：

Cathode: I₂ + 2e⁻ ↔ 2I⁻  E₀ = 0.54 V

Anode: 2H₂O + 2e⁻ ↔ 2OH⁻ + H₂ E₀ = −0.83 V

Overall: I₂ + 2OH⁻ + H₂ ↔ 2I⁻ + 2H₂O E₀ = 1.37 V

图1. 碘-氢气电池的结构与工作原理

（来源：Adv. Funct. Mater.）

要点二：碘-氢气电池的电化学性能

作者研究了碘-氢气电池的电化学性能。通过CV可以看出一对明显的氧化还原峰1.07 V/0.93 V，通过充放电曲线可以看出一对明显的充放电电压平台1 V/0.84 V。该电池能够在100 C的高倍率下工作，且60000圈循环后的容量几乎无衰减。在充分利用所添加的电解液条件下，该电池展示了15.5 Ah L^-1的体积容量，并具有81.5%的高能量效率。与其它报道的碘-金属电池相比，作者设计的碘-氢气电池在工作电流倍率与循环寿命上具有极大的优势。

图2. 碘-氢气电池在中性电解液中的电化学性能

（来源：Adv. Funct. Mater.）

要点三：碘-氢气电池的过充自愈能力

其次，作者对碘-氢气电池的过充自愈能力进行了测试。可以看出，当电池发生过度充电，再进行正常的工作，该电池依然能够像正常工作时一样，进行稳定的循环工作。

图3. 碘-氢气电池的过充自愈能力

（来源：Adv. Funct. Mater.）

要点四：碘-氢气电池在酸性及碱性电解液中的电化学性能

最后，我们探索了设计的碘-氢气电池在酸性与碱性电解液中的电化学性能。可以看出电池在酸性情况下表现出好的倍率性能，在碱性情况下表现出高的放电电压平台。

图4. 碘-氢气电池在酸性及碱性电解液中的电化学性能

（来源：Adv. Funct. Mater.）

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

关于人物与科研

在科技元素在经济生活中日益受到重视的今天，中国迎来了“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在化学领域，在追求创新驱动的大背景下，国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多非常优秀的课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，CBG资讯、ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官方微博、CBG微信订阅号等平台合力推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注他们的研究，倾听他们的故事，记录他们的风采，发掘他们的科研精神。欢迎来稿，请联系C菌（chembeango101）。

CBG资讯一直致力于追踪新鲜科研资讯、解读前沿科研成果。如果你也对科研干货、高校招聘、不定期福利（现金红包、翻译奖励、实验室耗材优惠券等）有兴趣，那么，请长按并识别下图二维码，添加C菌微信（微信号：chembeango101），备注：进群。
●华中师范大学朱成周教授课题组Adv. Funct. Mater.：PdBi单原子合金气凝胶用于高效乙醇氧化
●中科院物理所吴凡团队Adv. Mater.：全制备过程无需手套箱、一步法制备超高水稳定性硫化物固态电解质
●一种可在阳光和空气中完全降解的高分子材料——香港科技大学唐本忠院士和华中科大罗亮教授团队JACS
●华中科技大学苏彬老师教授课题组Adv. Fun. Mater.：仿鲨鱼皮水下超疏油表面上的磁流体液滴发电
●港大David Lee Phillips、杜莉莉, 安大任信钢AFM: 近场驱动浅层载流子捕获促进氮化碳产氢