中国科大在水系氢氯电池研究领域取得重要进展

近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院陈维课题组在国际期刊Journal of the American Chemical Society发表了题为“Rechargeable Hydrogen-Chlorine Battery Operates in a Wide Temperature Range”的研究型论文，并被编辑选为封面文章。论文成功受到了氢氯燃料电池优点的启发，进而将其设计为可充电氢氯电池。通过分级多孔碳正极的构建和磷酸基抗冻电解液的使用，电池可在宽温区范围（40 ℃至-70 ℃）内成功限制氯气的挥发，并激发其高的充放电平台和高比容量。在室温下电池最大可达到4.19 mAh cm-2的高放电面容量，并在充电容量3mAh cm-2下稳定循环500圈。在超低温条件下，电池仍然能够维持与室温相同的放电平台，在-40 ℃条件下电池能够提供273 mAh g-1的高可逆比容量，展现出良好的电化学性能。

图1.氢氯二次电池文章被选为JACS封面。

得益于氢气无污染和来源丰富的特点，氢燃料电池是一种很有前途的能源技术，其中氢-氯（H2-Cl2）燃料电池由于Cl2/Cl-氧化还原电对快速的电化学动力学而具有明显的优点。因此，若将其设计为二次电池，氢氯电池可更大程度地发挥Cl2/Cl-电对的快速动力学、高氧化还原电位（1.36Vvs.SHE）和高比容量（755 mAh g-1）的优势。鉴于以上优点，氯基电池对于新型水系电池的发展有着很大的应用前景。然而，挥发性的氯气在充电过程中不能被保留，导致电池的库仑效率低和可逆性差。目前还缺乏构建在不同温度下均具有高性能和适用性的水系氯基电池的研究。

本工作在前期探究发现，由于缺乏氯气强亲和性位点，传统的吸附型正极难以将氯气固定，进而导致正极低的可逆性。通过设计具有丰富微/介孔多孔碳（HPC）和具有三维大孔结构的碳毡所组成的分级多孔碳结构（HPC@CF），电池可以有效地将充电产生的氯气限制在正极，进而实现可逆的氢氯电池（图1）。电池在低倍率下仍能维持较高的库伦效率，证明了其对氯气良好的限制作用。在3mAhcm-2的充电面容量下，氢氯电池可以稳定循环500圈，展现出良好的电化学性能。除此之外，电池在超低温下仍能良好运行，在-70℃下仍可以保持1.1 V的放电电压和282mAhg-1的高比容量，体现出氢氯电池在超低温下应用的前景。通过X射线光电子能谱等表征手段结合第一性原理计算，揭示了Cl2/Cl-反应发生的同时伴随着C-Cl键的可逆形成/断裂，增强了氯气正极的可逆性。这项工作为宽温区水性氯基电池和高能量密度氢气电池的设计提供了新的方向。

图2.氢氯二次电池的构造以及可逆氯气电化学转化正极设计。

图3.氢氯二次电池的低温电化学性能展示。

近年来，陈维教授课题组致力于大规模储能电池的研究和应用开发，已在可充电氢气电池储能体系（Chemical Reviews122 (2022) 16610-16751;Nat. Commun.13 (2022) 2805;J. Am. Chem. Soc.143(2021) 20302-20308;Adv.Mater.35 (2023)2300502;ACS Nano17(2023) 7821-7829），金属离子电池储能体系（Nat. Commun.14 (2023) 76;Angew. Chem. Int. Ed.62(2023), e202308454;Angew. Chem. Int. Ed.62(2023) e202214966;Adv.Mater.(2023) 2305368;Adv.Mater.34(2022) 2203249;Energy & Environmental Sci.(2023)）等研究方向取得了一系列重要的阶段性成果。