【儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學化學與材料科學學院陳維教授課題組在國際期刊《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed)發表了題為“Rechargeable lithium-hydrogen gas batteries”的研究文章，首次報道了氫氣電極作為正極的電池化學新體系，為基于氫氣正極設計高性能電池提供了一種新途徑。
 

　　氫氣(H2)作為最具前景且經濟高效的可再生資源之一，憑借其合適的氧化還原電位(0 V vs. SHE)、低過電位(約0 V)以及長期穩定性，可在與高活性電催化劑(如Pt/C)結合時，成為一種極具吸引力的電池電極材料。自20世紀60年代以來，可充電的鎳-氫氣(Ni-H)電池化學因其高穩定性、可靠性和耐久性，已被NASA成功應用于航空航天領域超過30年。近年來，中國科學技術大學陳維教授課題組聚焦于氫氣電池，創制了不同類型的氫氣電池體系(Adv. Mater. 2024, 2412108; Chem. Rev. 2022, 122, 16610-16751)，包括先進的鎳-氫氣電池(Adv. Mater. 2023, 2300502)、鹵素-氫氣電池(JACS 2023, 145, 25422-25430)、質子-氫氣電池(JACS 2021, 143, 20302-20308)以及碳-氫氣電池(Nat. Commun. 2022, 13, 2805)等，以其卓越的循環穩定性重新受到關注，并在大規模儲能中展現出巨大潛力。這些體系均將氫氣電極用作負極。然而，基于氫氣負極的電池在0.8-1.4 V的有限工作電壓下運行，能量密度相對較低。因此，作者提出，氫氣的優異氧化還原特性不僅使其可作為負極，還可作為極具潛力的正極，與低電位負極配對。基于氫氣正極的電池在與堿金屬負極結合時，可展現出更高的能量密度和工作電壓。其中，鋰金屬負極在高電壓和高能量密度的氫氣電池應用中具有巨大潛力。
 

圖一：Li-H電池結構和工作示意圖。
 

　　該論文首次報道了一種可充電鋰金屬-氫氣(Li-H)電池，該電池利用了最輕的兩種元素Li和H。Li-H電池通過正極的反應H2/H+和負極的Li/Li+沉積溶解反應實現穩定運行。H2正極的優異特性使該電池展現出極具吸引力的電化學性能，包括高達2825 Wh kg-1的理論比能量、3 V的放電電壓、99.7%的循環能量效率、5-20 mAh cm-2的可逆面容量、-20-80 ℃的寬工作溫區及活性材料的高利用率。此外，作者進一步構建了一種無負極Li-H電池，在首次充電時從低成本的鋰鹽中沉積鋰金屬生成負極，進一步提升了電池的實際能量密度和經濟適用性。該工作為基于氫氣正極設計高性能儲能電池提供了一種新途徑。
 

　　圖二：Li-H電池綜合電化學性能展示。a倍率性能；b-c長循環穩定性；d-e高溫性能；f-g低溫性能。

 

　　中國科學技術大學化學與材料科學學院博士后劉再春和博士研究生馬毅睿為該論文的共同第一作者，中國科學技術大學化學與材料科學學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心的陳維教授為該論文的第一通訊作者，合作者包括深圳大學楊金龍教授。該研究工作得到自然科學基金委重大研究計劃項目和面上項目，中國科大創新團隊培育基金，中國科大人才團隊項目以及中國科學技術大學理化實驗中心、超算中心和微納中心提供的幫助。