中科大陳維課題組JACS：超快超低溫質子電池

【文章信息】

超快超低溫質子電池

第一作者：朱正新

通訊作者：陳維*

單位：中國科學技術大學

【研究背景】

水系電池具有高安全、低成本、環境友好等特點，在大規模電池儲能領域具有非常大的應用前景。至今為止，水系電池的研究一直致力于使用堿金屬（鋰，鈉，鉀等）、堿土金屬（鎂，鈣等）及鋅金屬電池體系，質子作為離子載體卻極少受到關注，主要原因是酸性電解液容易破壞電極結構和腐蝕電池的集流體。然而，質子卻具備其它金屬離子所沒有的優勢，例如：可持續性，最輕的摩爾質量，最小的離子半徑以及高的離子電導率。到目前為止，雖然一些正極和負極材料已經被證明能夠在酸性的電解液中穩定地存儲質子。然而，使用這些電極材料組裝全電池時，具有的倍率和循環性能往往還低于其它水系金屬離子電池體系。因此，探索性能優異的新型質子全電池，充分發揮質子電極的優勢，對其實際應用具有極其重要的意義。

氫氣，因其在催化劑作用下發生的氫氣氧化與還原反應表現出低過電位和長循環穩定性，而被認為是一種非常有前景的負極。另外，氫氣電極在酸溶液中極其穩定，且只有質子參與電化學反應，展示出快速的反應動力學，是一種天然的質子電極。近年來，陳維團隊借助氫氣負極的特點，提出并證實了一系列可充電氫氣電池，均具有高的倍率和優異的循環穩定性。因此，利用氫氣負極驅動的質子載流子來構建水系質子全電池是一種理想的選擇。

【文章簡介】

近日，來自中國科學技術大學的陳維教授，在國際期刊Journal of the American Chemical Society上發表題為“An Ultrafast and Ultra-Low-Temperature Hydrogen Gas?Proton Battery”的研究型文章。該文章構造并證實了一種新型的水系氫氣-質子電池。該水系氫氣-質子電池以質子作為載流子，在高濃度的9?M磷酸電解液中，巧妙地聯合了普魯士藍衍生物（PBA）質子正極與氫氣負極優異的電化學特性，形成一種理想的質子全電池。該氫氣-質子電池在室溫狀態下工作時，表現出前所未有高達960 C的充放電倍率和超過35萬次的循環使用壽命。該電池也能夠在?80 ℃的超低溫下正常穩定的工作，具有優異的超低溫特性。

【本文要點】

要點一：氫氣-質子電池的結構及工作原理。

設計的氫氣-質子電池主要由正極（PBA負載在鈦箔）、負極（商業鉑碳負載在氣體擴散層）以及高濃度的9 M磷酸電解液組成。在初始放電過程中，H₂負極被氧化形成H⁺到電解液中（式1），同時溶液中的H⁺插入到普魯士藍衍生物正極中（式2）。質子借助于水分子鏈的迅速轉移，在普魯士藍衍生物結構中實現快速的擴散與插入。接下來的充電過程與放電過程相反。其總反應如式3所示：

負極: H₂???2H⁺?+ 2e^? (1)

正極: PBA + xe^??+ xH⁺???PBA-xH (2)

總反應: 2PBA + H₂???2PBA-H, x?= 1 (3)

圖1. 氫氣-質子電池的示意圖及工作原理。

要點二：氫氣-質子電池電解液的選取

與傳統質子電池中的硫酸電解液相比，磷酸電解液對電極材料的溶解以及不銹鋼設備的腐蝕更加溫和。因此，磷酸電解液是被選擇作為該文章的研究對象。隨著磷酸濃度的增加，該氫氣-質子電池的循環穩定性及庫倫效率得到了顯著的提升。當磷酸濃度增加到9?M時，該電池展示出最優的電化學性能（循環500圈后仍保持98.7%的初始容量）及穩定的電極材料結構。

圖2. 氫氣-質子電池電解液的優化。

要點三：氫氣-質子電池室溫下的電化學性能

該氫氣-質子電池在室溫狀態下工作時，表現出前所未有高達960?C的充放電倍率和超過35萬次的循環使用壽命。氫氣-質子電池如此優異的倍率及循環穩定性，優于目前所報道的其它水系質子全電池

圖3. 氫氣-質子電池在室溫時工作的電化學性能。

要點四：氫氣-質子電池超低溫下的電化學行為

此外，所設計的高濃度的9?M磷酸電解液不僅具有低于零下-80 ℃凝固點，并且在?60 ℃下，其電解液的離子電導率高達2.49 mS cm^?1。該氫氣-質子電池能夠在?80?℃的超低溫下正常穩定的工作。該氫氣-質子電池的超低溫特性，突出了其在極端條件下大規模儲能的巨大應用前景。

圖4. 氫氣-質子電池在超低溫狀態下的電化學的行為。

【文章鏈接】

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

【通訊作者簡介】

陳維，中國科學技術大學化學與材料科學學院應用化學系特任教授，博士生導師，合肥微尺度物質科學國家研究中心教授，國家人才項目計劃入選者。2008年于北京科技大學獲材料物理學士學位；2013年于阿卜杜拉國王科技大學獲材料科學與工程博士學位，導師為Husam Alshareef教授；其后于斯坦福大學從事博士后研究工作，導師為崔屹教授；2019年7月入職中國科學技術大學。陳維教授專注于大規模儲能電池，電催化等研究，在上述領域取得了一系列科研成果。以第一作者和通訊作者身份在Nature Energy, PNAS, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials，eScience等國際期刊發表論文60余篇，論文總被引8000余次，H因子43。

陳維老師課題組網頁：

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

【相關工作推介】

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

【課題組招聘】

中國科學技術大學陳維教授課題組誠聘聯合博士后

一、研究方向

本課題組科研經費充足，擁有一流的工作環境，積極開放的學術氛圍和優越的國內外交流合作。陳維教授秉持著材料創新與發現的研究理念，通過材料合成、結構設計和系統創新等研究方法將課題組研究集中但不局限于：

1. 新型大規模儲能電池

2. 電化學催化劑的微觀調控與機理探索

3. 新型能量轉化與存儲一體化

二、申請條件

1. 身心健康、責任心強、有團隊精神、工作積極主動、創新能力強

2. 已獲得（博士畢業三年之內）或即將獲得化學，材料，物理，化工等相關博士學位

3. 優先考慮有電池、電催化等相關研究背景和實驗平臺搭建經驗的申請人

4. 具有良好的英文聽說讀寫能力

5. 近5年發表過高水平學術論文（至少1篇）

6. 年齡不超過35周歲

三、招聘人數：2?人

四、崗位待遇

1. 聘期2-3年。

2. 工資待遇 （基礎年薪稅后35萬元以上）：

此職位為中科大與深圳研究機構聯合招聘，工作地點是中國科學技術大學陳維課題組，開始時間靈活。

3. 五險一金：社會保險（基本養老保險、失業保險、基本醫療保險及醫療救助保險、工傷保險、生育保險）和住房公積金。

五、申請程序

請申請者將個人簡歷等材料發送給陳維老師（weichen1@ustc.edu.cn），郵件以“博后申請+姓名”命名。