中科大陈维课题组JACS：超快超低温质子电池

【文章信息】

超快超低温质子电池

第一作者：朱正新

通讯作者：陈维*

单位：中国科学技术大学

【研究背景】

水系电池具有高安全、低成本、环境友好等特点，在大规模电池储能领域具有非常大的应用前景。至今为止，水系电池的研究一直致力于使用碱金属（锂，钠，钾等）、碱土金属（镁，钙等）及锌金属电池体系，质子作为离子载体却极少受到关注，主要原因是酸性电解液容易破坏电极结构和腐蚀电池的集流体。然而，质子却具备其它金属离子所没有的优势，例如：可持续性，最轻的摩尔质量，最小的离子半径以及高的离子电导率。到目前为止，虽然一些正极和负极材料已经被证明能够在酸性的电解液中稳定地存储质子。然而，使用这些电极材料组装全电池时，具有的倍率和循环性能往往还低于其它水系金属离子电池体系。因此，探索性能优异的新型质子全电池，充分发挥质子电极的优势，对其实际应用具有极其重要的意义。

氢气，因其在催化剂作用下发生的氢气氧化与还原反应表现出低过电位和长循环稳定性，而被认为是一种非常有前景的负极。另外，氢气电极在酸溶液中极其稳定，且只有质子参与电化学反应，展示出快速的反应动力学，是一种天然的质子电极。近年来，陈维团队借助氢气负极的特点，提出并证实了一系列可充电氢气电池，均具有高的倍率和优异的循环稳定性。因此，利用氢气负极驱动的质子载流子来构建水系质子全电池是一种理想的选择。

【文章简介】

近日，来自中国科学技术大学的陈维教授，在国际期刊Journal of the American Chemical Society上发表题为“An Ultrafast and Ultra-Low-Temperature Hydrogen Gas−Proton Battery”的研究型文章。该文章构造并证实了一种新型的水系氢气-质子电池。该水系氢气-质子电池以质子作为载流子，在高浓度的9 M磷酸电解液中，巧妙地联合了普鲁士蓝衍生物（PBA）质子正极与氢气负极优异的电化学特性，形成一种理想的质子全电池。该氢气-质子电池在室温状态下工作时，表现出前所未有高达960 C的充放电倍率和超过35万次的循环使用寿命。该电池也能够在−80 ℃的超低温下正常稳定的工作，具有优异的超低温特性。

【本文要点】

要点一：氢气-质子电池的结构及工作原理。

设计的氢气-质子电池主要由正极（PBA负载在钛箔）、负极（商业铂碳负载在气体扩散层）以及高浓度的9 M磷酸电解液组成。在初始放电过程中，H₂负极被氧化形成H⁺到电解液中（式1），同时溶液中的H⁺插入到普鲁士蓝衍生物正极中（式2）。质子借助于水分子链的迅速转移，在普鲁士蓝衍生物结构中实现快速的扩散与插入。接下来的充电过程与放电过程相反。其总反应如式3所示：

负极: H₂ ↔ 2H⁺ + 2e⁻ (1)

正极: PBA + xe⁻ + xH⁺ ↔ PBA-xH (2)

总反应: 2PBA + H₂ ↔ 2PBA-H, x = 1 (3)

图1. 氢气-质子电池的示意图及工作原理。

要点二：氢气-质子电池电解液的选取

与传统质子电池中的硫酸电解液相比，磷酸电解液对电极材料的溶解以及不锈钢设备的腐蚀更加温和。因此，磷酸电解液是被选择作为该文章的研究对象。随着磷酸浓度的增加，该氢气-质子电池的循环稳定性及库伦效率得到了显著的提升。当磷酸浓度增加到9 M时，该电池展示出最优的电化学性能（循环500圈后仍保持98.7%的初始容量）及稳定的电极材料结构。

图2. 氢气-质子电池电解液的优化。

要点三：氢气-质子电池室温下的电化学性能

该氢气-质子电池在室温状态下工作时，表现出前所未有高达960 C的充放电倍率和超过35万次的循环使用寿命。氢气-质子电池如此优异的倍率及循环稳定性，优于目前所报道的其它水系质子全电池

图3. 氢气-质子电池在室温时工作的电化学性能。

要点四：氢气-质子电池超低温下的电化学行为

此外，所设计的高浓度的9 M磷酸电解液不仅具有低于零下-80 ℃凝固点，并且在−60 ℃下，其电解液的离子电导率高达2.49 mS cm⁻¹。该氢气-质子电池能够在−80 ℃的超低温下正常稳定的工作。该氢气-质子电池的超低温特性，突出了其在极端条件下大规模储能的巨大应用前景。

图4. 氢气-质子电池在超低温状态下的电化学的行为。

【文章链接】

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c09529

An Ultrafast and Ultra-Low-Temperature Hydrogen Gas−Proton Battery

Zhengxin Zhu, Weiping Wang, Yichen Yin, Yahan Meng, Zaichun Liu, Taoli Jiang, Qia Peng, Jifei Sun, Wei Chen, J. Am. Chem. Soc., 2021. DOI: 10.1021/jacs.1c09529

【通讯作者简介】

陈维，中国科学技术大学化学与材料科学学院应用化学系特任教授，博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授，国家人才项目计划入选者。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位，导师为Husam Alshareef教授；其后于斯坦福大学从事博士后研究工作，导师为崔屹教授；2019年7月入职中国科学技术大学。陈维教授专注于大规模储能电池，电催化等研究，在上述领域取得了一系列科研成果。以第一作者和通讯作者身份在Nature Energy, PNAS, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials，eScience等国际期刊发表论文60余篇，论文总被引8000余次，H因子43。

陈维老师课题组网页：

http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1

【相关工作推介】

1. Taoli Jiang, Wei Chen^*, Nickel hydrogen gas batteries: From aerospace to grid-scale energy storage applications, Current Opinion in Electrochemistry,2021, 30:100859. https://doi.org/10.1016/j.coelec.2021.100859 

2. Zhengxin Zhu, Yahan Meng, Yichen Yin, Zaichun Liu, Taoli Jiang, Qia Peng, Teng Yin, Mengyao Li, Wei Chen^*, High Performance Aqueous Prussian Blue Analogue-Hydrogen Gas Hybrid Batteries, Energy Storage Materials, 2021, 42, 464-469. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.07.050

3. Zhengxin Zhu, Yahan Meng, Yi Cui, Wei Chen^*, An Ultrastable Aqueous Iodine-Hydrogen Gas Battery, Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2101024.  https://doi.org/10.1002/adfm.202101024

4. Wei Chen^#, Guodong Li^#, Allen Pei, Yuzhang Li, Lei Liao, Hongxia Wang, Jiayu Wan, Zheng Liang,GuangxuChen, Hao Zhang, Jiangyan Wang, Yi Cui^*, A Manganese-Hydrogen Battery with Potential for Grid-Scale Energy Storage, Nature Energy, 2018, 3, 428-435. https://doi.org/10.1038/s41560-018-0147-7

5. Wei Chen, Yang Jin, Jie Zhao, Nian Liu, Yi Cui^*, Nickel-Hydrogen Batteries for Large-Scale Energy Storage,Proceedings of the National Academy of Sciences, U. A. 2018, 115 (46), 11694-11699. https://doi.org/10.1073/pnas.1809344115

【课题组招聘】

中国科学技术大学陈维教授课题组诚聘联合博士后

一、研究方向

本课题组科研经费充足，拥有一流的工作环境，积极开放的学术氛围和优越的国内外交流合作。陈维教授秉持着材料创新与发现的研究理念，通过材料合成、结构设计和系统创新等研究方法将课题组研究集中但不局限于：

1. 新型大规模储能电池

2. 电化学催化剂的微观调控与机理探索

3. 新型能量转化与存储一体化

二、申请条件

1. 身心健康、责任心强、有团队精神、工作积极主动、创新能力强

2. 已获得（博士毕业三年之内）或即将获得化学，材料，物理，化工等相关博士学位

3. 优先考虑有电池、电催化等相关研究背景和实验平台搭建经验的申请人

4. 具有良好的英文听说读写能力

5. 近5年发表过高水平学术论文（至少1篇）

6. 年龄不超过35周岁

三、招聘人数：2 人

四、岗位待遇

1. 聘期2-3年。

2. 工资待遇 （基础年薪税后35万元以上）：

此职位为中科大与深圳研究机构联合招聘，工作地点是中国科学技术大学陈维课题组，开始时间灵活。

3. 五险一金：社会保险（基本养老保险、失业保险、基本医疗保险及医疗救助保险、工伤保险、生育保险）和住房公积金。

五、申请程序

请申请者将个人简历等材料发送给陈维老师（weichen1@ustc.edu.cn），邮件以“博后申请+姓名”命名。