近日,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲能技術(shù)研究部研究員李先鋒團隊與催化基礎(chǔ)國家重點實驗室納米與界面催化研究中心研究員傅強團隊合作,在鹵素水系電池研究方面取得新進展,開發(fā)了一種基于溴和碘元素的多電子轉(zhuǎn)移正極,其比容量超過840安時/升(Ah/L),在全電池測試中正極側(cè)能量密度超過1200瓦時/升(Wh/L),為高能量密度水系電池的設(shè)計提供了新思路。
能量密度和安全性是衡量二次電池的重要標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的非水系鋰離子電池盡管具有高的能量密度,但其采用的有機電解液易燃,安全性問題難以保障。水系電池采用水作為溶劑,具有安全性。然而,受限于電解液溶解度低、電池電壓低等問題,水系電池的能量密度一般較低,即單位體積內(nèi)的電池儲存的電量較少。例如,傳統(tǒng)的水系電池如全釩液流電池和鋅溴液流電池的能量密度分別約為30瓦時/升和60瓦時/升,使其僅能用于大規(guī)模固定儲能。
大連化物所開發(fā)出基于碘元素的多電子轉(zhuǎn)移高能量密度水系電池
為了提高水系電池的能量密度,本工作中,李先鋒團隊使用碘離子(I-)和溴離子(Br-)混合鹵素溶液作為電解液,構(gòu)建了碘離子(I-)到碘單質(zhì)(I2)進而到碘酸根(IO3-)的多電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。充電過程中,碘離子在正極生成碘酸根,伴隨生成的氫離子從正極傳導(dǎo)到負(fù)極一側(cè);放電過程中,氫離子從負(fù)極向正極傳導(dǎo),碘酸根被還原為碘離子。團隊利用在充放電過程中形成的溴化物中間態(tài),優(yōu)化了反應(yīng)路徑,有效提高了電化學(xué)反應(yīng)的活性和可逆性,所開發(fā)的多電子轉(zhuǎn)移正極比容量達(dá) 840安時/升。該正極與金屬鎘組成全電池,基于正極側(cè)的能量密度超過1200瓦時/升。
研究發(fā)現(xiàn),在電解液中加入的溴離子可在電池充電過程中生成極性的溴化碘(IBr),有利于和水反應(yīng)形成碘酸根,從而提高了反應(yīng)速率并且降低了充電電壓;在放電過程中,碘酸根通過與溴離子反應(yīng)生成溴(Br2),并參與電化學(xué)反應(yīng),實現(xiàn)碘酸根的可逆、快速放電,不僅提高了電池的放電電壓,同時提高了碘酸根的還原速率。優(yōu)化后的電解液,溴化物充當(dāng)了氧化還原的“橋梁”,大幅度提高了電池的效率和反應(yīng)速率。研究團隊通過原位光學(xué)顯微鏡、拉曼光譜等手段證明了上述反應(yīng)過程。
該研究有望拓寬高能量密度水系電池的研究途經(jīng),為高能量密度水系電池的設(shè)計提供一種新思路。此外,該研究還拓展了水系電池的應(yīng)用范圍,有望應(yīng)用在動力電池等領(lǐng)域,為環(huán)境保護和能源結(jié)構(gòu)升級提供技術(shù)保障。
上述成果以“Reversible multielectron transfer I?/IO3? cathode enabled by a hetero-halogen electrolyte for high-energy-density aqueous batteries”為題,于近日發(fā)表在《自然-能源》(Nature Energy)上。該成果的共同第一作者為大連化物所副研究員謝聰鑫和博士研究生(已畢業(yè))王超。上述工作得到國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41560-024-01515-9?