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解锁高能:新型水基电池超越传统极限

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传统的锂离子电池虽然能提供高能量密度,但由于使用易燃的有机电解质,安全性受到了损害。



含水电池使用水作为电解液的溶剂,大大提高了电池的安全性。然而,由于电解质的溶解度有限和电池电压低,水基电池通常具有较低的能量密度。这意味着,每单位体积的水电池的电量存储相对较低。

在《自然能源》杂志上发表的一项新研究中,中国科学院大连化学物理研究所(DICP)李先锋教授领导的研究小组,与中国科学院大连化学物理研究所(DICP)傅强教授的研究小组合作,开发了一种基于溴和碘的多电子转移阴极,实现了超过840 Ah/L的比容量,并在全电池测试中实现了基于阴极的能量密度高达1200 Wh/L。

技术改进和成就

为了提高水基电池的能量密度,研究人员使用了碘离子(I -)和溴离子(Br -)的混合卤素溶液作为电解质。他们开发了一个多电子转移反应,将碘离子(I -)转移到碘元素(I2)上,然后转移到碘酸盐(IO3 -)上。在充电过程中,碘离子(I -)在正极被氧化为碘酸盐(IO3 -),生成的H+以支撑电解质的形式传导到负极。在放电过程中,H+从正极传导,碘酸盐(IO3 -)被还原为碘离子(I -)。

所研制的多电子转移阴极比容量为840 Ah/L。将阴极与金属Cd结合形成一个完整的电池,研究人员在开发的阴极材料的基础上实现了高达1200 Wh/L的能量密度。

此外,研究人员证实,添加到电解质中的溴离子(Br -)可以在充电过程中生成极性溴化碘(IBr),促进与H2O反应生成IO3 -。在放电过程中,IO3 -可将Br -氧化为Br2并参与电化学反应,实现IO3 -的可逆快速放电。因此,在充放电过程中形成的溴化中间体优化了反应过程,有效提高了电化学反应的动态性和可逆性。

傅教授小组通过原位光学显微镜、拉曼光谱等方法证明了多电子转移过程。

李教授说:“本研究为高能量密度水基电池的设计提供了新的思路,并可能扩大水基电池在动力电池领域的应用。”

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