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湖南大學梁宵教授課題組在水系鹵素電池領域取得重要進展
來源：湖南大學 2024-02-06
導讀：鋰離子電池在資源豐富性、成本效益和安全問題等方面均存在挑戰，急需設計本征安全、低成本、長壽命的電池新體系。傳統水系電池比能量低（<50 Wh/Kg），水系鋅-鹵素電池因其本征安全、原材料豐富、元素價態豐富等特點而受到關注。梁宵教授團隊基于前期構建的鹵素四電子轉移電化學反應（Nature Communications, 2021, 12, 170），利用電極的絡合效應協同水系電解液中的鹽析效應，有效提升了多電子轉移鹵素電池的循環穩定性，構建了本征安全、低成本、長壽命的高比能鋅溴電池和鋅碘電池。為開發高比能、本征安全和低成本的水系電池提供了新思路和新策略。
鹵素四電子電化學反應（X-/X2/X+，X=I或Br）所涉及的聚鹵離子（如ICl2-，Br3-，BrCl2-）在水系電解液中易溶解、水解，使得水系鹵素電池實際能量密度偏低且易衰減。該團隊利用電極中的季銨絡合效應增強聚鹵離子的化學穩定性、水系電解液中硫酸鹽析排斥效應，解決了聚鹵離子的溶解和水解問題，闡明了絡合-鹽析協同作用機制。該作用機制進一步構建了分子擁擠型的凝膠化電極，抑制了析氧、析氯副反應，并克服了傳統轉化型正極反應的動力學挑戰。該團隊通過軟包電池展示了四電子鋅溴電池的高能量密度（106 Wh kg-1）、低材料成本（$ 28 kWh-1）、及優異的能量效率（88.9%），在儲能領域展現出較大的應用潛力和優勢。絡合-排斥策略應對鹵素電池的水解、析氧及動力學挑戰兩項研究成果分別以“Practical High-Energy Aqueous Zinc-Bromine Static Batteries Enabled by Synergistic Exclusion-Complexation Chemistry”、“Stabilized Four-Electron Aqueous Zinc–Iodine Batteries by Quaternary Ammonium Complexation”為題發表在Joule和Chemical Science等國際頂刊。博士研究生徐琛為Joule文章的第一作者，博士研究生蔣鵬杰為Chemical Science文章的第一作者，梁宵教授為論文通訊作者，湖南大學為唯一通訊單位。https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(23)00541-Xhttps://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/sc/d3sc06155h
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