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Angew. Chem. :水系电池阴离子电极中铜与碱式碳酸铜的可逆转化

双离子电池作为一种十分具有前景的大规模储能技术近年来备受关注。现有的双离子电池正极主要基于阴离子(TFSI-/PF6-)在石墨层间的嵌入、脱出实现电荷的输出和存储。然而由于石墨正极层间能够嵌入的阴离子数量有限,造成其比容量较低,且电化学转化电位较高。除非电解质选用离子液体或深共晶溶剂,否则石墨正极的高工作电位往往导致电解质溶剂的氧化,使得电池性能快速衰减。近年来研究者发展了聚合物、固态有机分子和MOFs作为阴离子载体,实现了一定的突破。但是以上正极全是基于嵌入反应实现离子存储,嵌入型反应的固有性质使得电极比容量提升有限。


针对以上问题近日美国俄勒冈州立大学纪秀磊教授和冯振兴教授选用金属铜作为转化型正极,并首次以碳酸根CO32-作为电荷载体,水系电解液条件下实现了正极侧高的可逆比容量,其比容量高达664 mAh/g,且循环稳定性较好。


使用金属铜作为正极存储阴离子,其经由两电子的转化反应为电极的高比容量奠定了基础,其理论比容量高达843 mAh/g。另外,铜与碱式碳酸铜之间在水系电解液条件下的可逆转化为该电极设计提供了可能。经过测试探索发现,电解液成分及碳酸盐的引入方式对其循环稳定性影响较为关键,电极在含有KOH的电解液中循环稳定性较好,进一步将碳酸钾及氢氧化钾作为活性物质与金属铜混合后制备电极,其循环稳定性最优。将钾盐直接混入正极,钾盐作为阴离子源和K+源,可被氧化的铜作为阴离子载体,铜被氧化为铜离子后直接原位耦合经钾盐解离的碳酸根转化为放电产物。从全电池的角度来看,电池中只有K+在正极和负极之间交换转移。这一电极设计使得该电池具有摇椅电池的特点,与传统双离子电池不同。电解液不再是阳离子及阴离子载流子的来源,其作用只是作为离子传导的媒介。



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总之,在该工作中,作者证明了在4.5 m K2CO3和9 m KOH的水系电解液中,铜可以可逆地转化为碱式碳酸铜。另外,通过将固体钾盐直接混入铜电极中,使得该电池具有类传统摇椅电池的优点。

文信息

From Copper to Basic Copper Carbonate: A Reversible Conversion Cathode in Aqueous Anion Batteries

Trenton C. Gallagher, Che-Yu Wu, Marcos Lucero, Sean K. Sandstrom, Lindsey Hagglund, Dr. Heng Jiang, William Stickle, Prof. Zhenxing Feng, Prof. Xiulei Ji


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202203837


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