刘万强教授课题组在揭示水系氢质子电池中的氢质子来源研究方面取得新突破
近日，材料科学与工程学院刘万强教授课题组在揭示水系氢质子电池中的氢质子来源研究方面取得新突破，在国际顶级期刊《Energy Storage Materials》（《储能材料》，中科院1区，TOP期刊）上发表了题为“揭示水系氢质子电池中的氢质子来源”的研究性文章，材料科学与工程学院博士生胡振宇为第一作者，刘万强教授为第一通讯作者。
水系氢质子电池作为由水系锌离子电池(ZIB)发展而来的新型电池，具有较高的能量密度和功率密度，受到研究人员的青睐。虽然目前开发了许多有潜力的替代电池，但是从元素周期表来看，无论是离子尺寸还是离子电荷分析评估，未来有潜力全面超越替代锂电池的元素只有H与He，由于He惰性气体的固有特性，真正有希望的只有H；氢质子(H+)半径仅约为~0.89 fm(10-15 m)，比Zn2+离子半径0.76 ?(10-10 m)小5个数量级。考虑到法拉第电极的速率性能部分取决于电极内部离子载流子的输运，半径较小、摩尔质量最轻(1g mol-1)的质子更有利于材料内部的输运，实现电化学性能的优化。
研究中，发现并探究了水系氢质子电池不同于传统摇椅式电池的反应机理，即电池反应中的氢质子来源由电解液中的水分子裂解提供，所以电池的充放电过程也是电解液浓度升高与降低的过程，为此制备了以2M Zn(ClO4)2为电解液的水系氢质子电池。测试结果表明，水系氢质子电池拥有优异的性能表现。放电比容量高达700.6 mAh g-1，充放电功率转化效率更是达到了83.638%；实验与模拟计算的结果证实，电池中H+主要由Zn2+的溶剂化水分子提供，随着电解液的浓度升高，ClO4-会取代一部分Zn2+的溶剂化水分子，使剩余未被替代的溶剂化水分子具有更强的去质子化倾向，更容易裂解提供H+。研究阐述了水系氢质子电池放电过程中电解液溶剂化状态的改变以及H+的具体来源的变化。此项目得到吉林省科技厅自然科学基金面上项目、重庆市科技局自然科学基金面上项目的支持。
（供稿：材料科学与工程学院 撰稿：刘万强 初审：段潜 复审：周南 终审：于英焕）
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