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可充電水系電池由于其高安全性和低成本而成為大規(guī)模儲能的潛在系統(tǒng)。然而，開發(fā)具有高可持續(xù)性、可負擔(dān)性和可逆性的水系電池是緊迫和具有挑戰(zhàn)性的。

在此，南開大學(xué)陳軍團隊報告了一種由蒽醌(AQ)負極、兩性羥基乙酸鋁 (AlAc(OH)₂) 電解質(zhì)和氫氧化鎳 (Ni(OH)₂) 正極組成的電池系統(tǒng)。其中，AlAc(OH)₂電解質(zhì)具有雙極性電離H⁺和OH^–的能力，可促進AQ負極和Ni(OH)₂正極的氧化還原反應(yīng)。原位pH測試證明了H⁺/OH^–在充放電過程中的消耗和釋放。

此外，通過原位紫外可見光譜證明了局部堿性環(huán)境提高了Ni(OH)₂正極的循環(huán)穩(wěn)定性和可逆性，而AQ負極的質(zhì)子化導(dǎo)致形成未離解的O-H共價鍵，限制了AQ/H2AQ負極的溶解性。通過XRD、拉曼、NMR和DFT計算證明了電極材料的氧化還原反應(yīng)機理。總的來說，設(shè)計的AQ | | Ni(OH)₂電池表現(xiàn)出低電極溶解、無O₂/H₂產(chǎn)生和高可逆性，300次循環(huán)后AQ負極的放電容量為243.9 mAh g^-1，容量保持率為78.2%，具有高度可逆性。

圖1. AlAc(OH)₂?水系電解質(zhì)的 H⁺?/OH^–?電離機制和電解質(zhì)結(jié)構(gòu)

總之，該工作報告了一種兩性羥基乙酸鋁（AlAc(OH)₂）電解質(zhì)，它具有H⁺和OH^–雙極電離能力，可促進蒽醌（AQ）負極和氫氧化鎳（Ni(OH)₂）正極的氧化還原反應(yīng)。具體來說，H⁺的吸收可防止AQ負極形成離子鍵，抑制電極溶解，而OH^–則為Ni(OH)₂正極的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供了局部堿性環(huán)境。

結(jié)果顯示，設(shè)計的AQ||Ni(OH)₂?電池中的 AQ 負極放電容量為 243.9 mAh g^-1，循環(huán) 300 次后容量保持率為 78.2%。此外，還組裝出了一個放電容量為 0.90 Ah 的軟包電池，根據(jù)電池總質(zhì)量計算，能量密度為 44.7 Wh kg^-1。因此，該項工作極大地拓寬了水系電池的類型，體現(xiàn)了雙極電解質(zhì)以及與H⁺和OH^–發(fā)生不同電化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計理念。

圖2. AQ|AlAc(OH)₂|Ni(OH)₂?全電池的電化學(xué)特性和性能

Sustainable Aqueous Batteries Based on Bipolar Dissociation of Aluminum Hydroxyacetate Electrolyte,?Journal of the American Chemical Society?2024 DOI: 10.1021/jacs.3c13963

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南開JACS：基于羥基乙酸鋁電解質(zhì)雙極離解的可持續(xù)水系電池

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