可充电水系电池因其安全性高、成本低而成为大规模能源存储的潜在系统。然而，开发具有高可持续性、经济性和可逆性的水系电池既紧迫又具有挑战性。
陈军院士团队报告了一种两性羟基乙酸铝（AlAc(OH)2）电解质，它具有 H+ 和 OH- 双极电离能力，可促进蒽醌（AQ）阳极和氢氧化镍（Ni(OH)2）阴极的氧化还原反应。AlAc(OH)2(H2O)3 溶剂化结构的双极电离能力源于 Al3+ 和 OH- 的强极化能力。解离常数为 5.0/3.0 的 H+ /OH- 的解离能力强于水（14.0），从而促进了电极同时发生稳定的氧化还原反应。具体来说，H+的吸收可防止 AQ 阳极形成离子键，抑制电极溶解，而 OH- 则为 Ni(OH)2 阴极的稳定转化反应提供了局部碱性环境。设计的 AQ||Ni(OH)2 电池中的 AQ 阳极放电容量为 243.9 mAh g-1，循环 300 次后容量保持率为 78.2%，具有很高的可逆性。此外，还组装出了一个放电容量为 0.90 Ah 的软包电池，根据电池总质量计算，能量密度为 44.7 Wh kg-1。这项工作极大地拓宽了水系电池的类型，体现了双极电解质以及与 H+ 和 OH- 发生不同电化学反应的设计理念。该成果以《Sustainable Aqueous Batteries Based on Bipolar Dissociation of Aluminum HydrOxyacetate Electrolyte》为题发表在《Journal of the American Chemical Society》，第一作者是Zhang Qiu。
图 1.AlAc(OH)2 水系电解质的 H+ /OH- 电离机制和电解质结构。
图 2.AlAc(OH)2 电解质与 Ni(OH)2 阴极/AQ 阳极之间的兼容性。
图 3 AQ 阳极的电化学氧化还原机制和 H+ 迁移。
图 4.AQ|AlAc(OH)2|Ni(OH)2 全电池的电化学特性和性能。
【结论】
总之，研究人员设计了一种由 AQ 阳极、AlAc(OH)2 电解质和 Ni(OH)2 阴极组成的电池系统。由于 Al3+ 和 OH- 的极化能力很强，AlAc(OH)2(H2O)3 的溶剂化结构呈现出双极电离模式，H+/OH- 快速解离，支持 AQ 阳极和 Ni(OH)2 阴极分别与 H+ 和 OH- 发生电化学氧化还原反应。局部碱性环境提高了 Ni(OH)2 阴极的循环稳定性和可逆性，而 AQ 阳极的质子化则导致形成未结合的 O-H 共价键，限制了 AQ/H2AQ 阳极的溶解度，这一点已被原位紫外可见图谱所证实。XRD、拉曼、核磁共振和 DFT 计算证明了电极材料的氧化还原反应机理。所设计的 AQ||Ni(OH)2电池具有电极溶解度低、无 O2/H2 生成和高可逆性等特点，因此阳极容量为 243.9 mAh g-1，循环 300 次后的循环保持率高达 78.2%。这项研究开发的电解质/电池系统具有一种独特的机制，即参与电池反应的 H+ 和 OH- 从溶剂化结构中电离出来，并最终返回到水中，体现了可持续系统的设计理念。
DOI：10.1021/jacs.3c13963
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先进能源材料化学教育部重点实验室（南开大学）
Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry, Ministry of Education (Nankai University)