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米测MeLab
2024-05-06
特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。不断增长的能源需求和气候变化使得探索可持续能源替代品，特别是可再生能源成为必要。随着可再生能源的广泛部署，电池对于电网规模的电能存储和运输应用至关重要。传统的非水锂离子电池（LIB）具有高能量密度，但其非水碳酸盐电解质高度易燃。相比之下，水性电池有可能自然地解决电池安全问题。然而，它们的能量密度较低（<200 Wh lcatholyte-1），受限于其狭窄的电位窗口（~2 V vs 5 V非水）和低比容量（~100 mAh gcathode-1或170 Ah Icathode e-1)，使得这种电池仅适用于大规模固定储能，例如液流电池。基于此，大连化物所李先锋等人展示了一种采用含有I−和Br的高浓度异卤素电解质的水系电池，从而产生I−/IO3−的多电子转移过程。电化学过程中产生的中间溴化物IBr和Br2增强了反应动力学并减轻了氧化和还原之间的电位差。当使用6 M I−电解质实现超过30 M电子转移时，I−/IO3-阴极表现出超过840 Ah lcatholyte-1的高比容量。以Cd/Cd2+作为阳极的电池表现出超过1,200 Wh lcatholyte-1的高能量密度。即使在120mAcm−2的极高电流密度下，也能获得 72% 的能量效率。该工作表明了实现具有高能量密度的安全水性电池的可行性，为电网规模的储能甚至电动汽车提供了开发选择。作者对于仅含有 I− (IA) 的电解质，进行循环伏安法来研究酸性介质中的电化学行为，发现了1.0 V下的I−氧化为 I3−的反应以及〜2.0 V 下的I2氧化为 HIO，后者迅速歧化为I2和HIO3。而对于IBA电解质，循环伏安图清楚地显示了六个不同的过程。此外，作者对比了IA和IBA与Cd2+/Cd阳极耦合的充放电性能，表明IBA组装电池的电压效率（VE）比IA高19%。在 80mAcm−2 时，IBA 在容量和效率方面优于 IA。图 添加或不添加Br−的I−/IO3−的多电子转移过程为了验证IBA多电子转移机制的可能性，作者从异位表征开始，通过将I2(s)与Br2(l)以不同摩尔比混合来模拟步IBr的形成。拉曼和紫外光谱证实了充电过程IBr的形成。接着，作者通过原位拉曼光谱和XRD跟踪IBA的多电子转移化学，证实了非原位观察结果，对六个步骤中每个步骤的产物进行 XRD 分析，证实了关键化合物的存在。作者组装了一个以IBA作为阴极电解液、Cd/Cd2+作为阳极的液流电池(IBA-C)，证明了IBA的可行性。与IA电池的能量密度相比，在80 mA cm−2时，IBA由于具有更高的放电电压和比容量（184 vs 106 Ah lcatholyte-1），能量密度高出两倍。此外，IBA-C的能源效率达到75%。结果表明IBA是一种非常有前途的高能量密度电池设计的阴极电解液。电池循环测试表明IBA具有高度稳定性。在40mAcm−2的电流密度下，具有2M I−的IBA-C连续运行超300个循环，能量效率78%，比容量为210Ah lcatholyte-1。通过将IBA中的I−浓度增加到3 M，完成了90多个循环，能量效率为74%，比容量为315 Ah lcatholyte-1。当电流密度增加到80mAcm−2时，循环稳定性下降到100个循环。当使用6 M I−电解液时，电解液保持~26 M的电子转移数，使其能够稳定运行超过20个循环，并且能量密度达到超过850 Wh lcatholyte-1。IBA-SWO和IBA-V电池在80mAcm−2的电流密度下稳定运行超过1000次循环，表现出非常令人印象深刻的循环稳定性。图 使用IBA作为阴极电解液和Cd/Cd2+、硅钨酸或V2+/V3+作为阳极的单液流水系电池的性能IBA-C电池表现出超过840 Ah lcatholyte-1的高比容量，这远高于报道的水性氧化还原对的剂量。此外，其能量密度超过1,200Wh lcatholyte-1，远高于目前报道的水系电池。最重要的是，利用IO3-/I-实现多电子转移意味着每千瓦时所需的I-数量明显低于单电子转移反应的I-/I2。根据计算，该设计将成本降低至约 24 美 kWhcatholyte-1 或约 35 美元 kAh catholyte-1，与 LIB 中的 LiFePO4 阴极的成本相当。Xie, C., Wang, C., Xu, Y. et al. Reversible multielectron transfer I−/IO3− cathode enabled by a hetero-halogen electrolyte for high-energy-density aqueous batteries. Nat Energy (2024).https://doi.org/10.1038/s41560-024-01515-9
