劉萬強教授課題組在揭示水系氫質子電池中的氫質子來源研究方面取得新突破
近日，材料科學與工程學院劉萬強教授課題組在揭示水系氫質子電池中的氫質子來源研究方面取得新突破，在國際頂級期刊《Energy Storage Materials》（《儲能材料》，中科院1區，TOP期刊）上發表了題為“揭示水系氫質子電池中的氫質子來源”的研究性文章，材料科學與工程學院博士生胡振宇為第一作者，劉萬強教授為第一通訊作者。
水系氫質子電池作為由水系鋅離子電池(ZIB)發展而來的新型電池，具有較高的能量密度和功率密度，受到研究人員的青睞。雖然目前開發了許多有潛力的替代電池，但是從元素周期表來看，無論是離子尺寸還是離子電荷分析評估，未來有潛力全面超越替代鋰電池的元素只有H與He，由于He惰性氣體的固有特性，真正有希望的只有H；氫質子(H+)半徑僅約為~0.89 fm(10-15 m)，比Zn2+離子半徑0.76 ?(10-10 m)小5個數量級。考慮到法拉第電極的速率性能部分取決于電極內部離子載流子的輸運，半徑較小、摩爾質量最輕(1g mol-1)的質子更有利于材料內部的輸運，實現電化學性能的優化。
研究中，發現并探究了水系氫質子電池不同于傳統搖椅式電池的反應機理，即電池反應中的氫質子來源由電解液中的水分子裂解提供，所以電池的充放電過程也是電解液濃度升高與降低的過程，為此制備了以2M Zn(ClO4)2為電解液的水系氫質子電池。測試結果表明，水系氫質子電池擁有優異的性能表現。放電比容量高達700.6 mAh g-1，充放電功率轉化效率更是達到了83.638%；實驗與模擬計算的結果證實，電池中H+主要由Zn2+的溶劑化水分子提供，隨著電解液的濃度升高，ClO4-會取代一部分Zn2+的溶劑化水分子，使剩余未被替代的溶劑化水分子具有更強的去質子化傾向，更容易裂解提供H+。研究闡述了水系氫質子電池放電過程中電解液溶劑化狀態的改變以及H+的具體來源的變化。此項目得到吉林省科技廳自然科學基金面上項目、重慶市科技局自然科學基金面上項目的支持。
（供稿：材料科學與工程學院 撰稿：劉萬強 初審：段潛 復審：周南 終審：于英煥）
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