Acid-in-clay电解质助力高性能质子电池,常温50C 20000圈,−20℃ 3C 3000圈

Acid-in-clay电解质助力高性能质子电池,常温50C 20000圈,−20℃ 3C 3000圈质子导体广泛应用于能源存储、能源转换、化工合成、碳循环以及生物工程等领域。除了在铅酸电池及燃料电池中的成功应用,质子导体还在近几年备受关注的质子电池领域扮演着重要的角色。但是质子电池的发展受制于:1)严重的产气(较窄的电化学稳定窗口导致水系电解液易于发生HER和OER),2)严重的容量衰减(较高的反应活性导致集流体及电极材料的腐蚀,较差的离子选择性导致元素溶解与交叉污染)。将液态电解质替换成固态电解质有望解决上述问题,但现有的固态质子电解质很难兼顾高质子电导率、宽电化学稳定窗口及高离子选择性。

近日,麻省理工学院李巨教授、犹他大学高涛教授及俄勒冈州立大学纪秀磊教授的研究团队提出了一种acid-in-clay的方法:将acid(如磷酸、硫酸溶液等)中的质子限域在clay(如海泡石、膨润土、埃洛石)中,成功制备了一系列固态质子电解质。这类固态质子电解质兼具高质子电导率(25 ℃下15 mS cm−1, −82 ℃下0.023 mS cm−1),宽电化学稳定窗口(3.35 V),高离子选择性及弱腐蚀性等优势。鉴于上述优势,制约质子电池发展的两大瓶颈(产气及循环)得到了有效解决。使用acid-in-clay电解质的全固态质子电池展示出优异的倍率性能(25 ℃下33%的容量保持率(720 C)及−60 ℃下42%的容量保持率(1 C)),和超长的循环性能(25 ℃下20000圈的稳定循环(50 C)及−20 ℃下3000圈的稳定循环(3 C))。该工作发表在材料领域顶级期刊Advanced Materials上。
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图1 Acid-in-clay电解质的合成示意图及其在高性能质子电池中重要作用

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图2 Acid-in-clay电解质的动力学和热力学性能

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图3 使用acid-in-clay电解质的全固态质子电池的电化学性能

上述全固态质子电池有望填补Ragone plot中铅酸电池和超级电容器之间的空白区域,特别是以下几种细分领域:1)需要保持超级电容的倍率性能,并提高能量密度的应用场景;2)需要保持铅酸电池的能量密度,并提高循环寿命和快充能力的应用场景;3)需要储能器件在低温极端环境中(如南极、火星)的应用场景。Acid-in-clay的方法不仅对众多acid和clay具有普适性,还有望推广至其他具有clay特性的限域骨架材料中(例如木材、凝胶等),从而大幅拓展了质子电解质的选材范围。这类新型电解质不仅可以助力高性能质子电池的发展,还有望在其他依赖于快质子传导、宽电化学稳定窗口、高离子选择性和弱腐蚀性的质子导体的领域中展现出更广阔的应用前景(例如电化学合成、液流电池、CO2还原、NH3合成等)。

Shitong Wang†, Heng Jiang†, et al. Acid-in-clay electrolyte for wide-temperature-range and long-cycle proton batteries. Adv Mater. 2022. DOI:10.1002/adma.202202063
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.202202063

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