李巨/纪秀磊/高涛AM: 用于宽温长循环质子电池的新型粘土酸电解质

目前，高性能质子电池的发展受到放气问题和较差的循环寿命的阻碍。在水系电解液中很容易引发析氢和析氧反应，这限制了质子电池的工作电压并导致严重的放气问题。放气会使电池膨胀，降低体积能量密度并导致安全问题。此外，酸性电解质还会导致集流体或电极材料的溶解。

为此，美国麻省理工学院李巨教授、俄勒冈州立大学纪秀磊教授及犹他大学高涛教授等人报道了一系列新的质子电解质并将其称为粘土酸（acid-in-clay）电解质（AiCE），用于解决质子电池的放气、腐蚀和元素交叉问题。

具体而言，AiCE 是通过将H₃PO₄吸收到页硅酸盐粘土（海泡石）中形成凝胶状全无机材料而合成的。其中，海泡石含有8.7 wt%的吸附水和7.5 wt% 的结构水，据此其化学式可写为Mg₂H₂(SiO₃)₃·3.0H₂O，作者通过改变酸溶液中酸分子与水的摩尔比（R）及液体（酸溶液）与固体（粘土粉）的重量比（N）来调整质子浓度。与液态H₃PO₄电解质相比，这些AiCE表现出超快的质子电导率（25°C为15 mS cm^-1，-82°C为0.023 mS cm^-1）、更宽的电化学稳定性窗口（3.35 V）、增强的化学稳定性和出色的离子选择性（限制不需要的元素交叉溶解）。

图1. AiCE的动力学和热力学特性

因此，基于AiCE的全固态质子电池表现出优异的质子传输特性（室温下720 C时的容量保持率为33%，-60 °C下1 C时的容量保持率为42%）和循环性能（室温下在1000 mA g^-1时20000次循环后容量保持率为76%；-20 °C下100 mA g^-1时3000次循环后容量保持率为100%）。此外，作者用另外两种代表性粘土（膨润土和埃洛石）和另一种代表性酸（硫酸）进一步证明了AiCE方法。

这种质子电池可以填补铅酸电池和超级电容器之间的空白，适用于以下细分市场：

1）既要求有超级电容器的快速充电，但又能提供比超级电容器更高的能量密度；

2）既需要铅酸电池的能量密度，但又能提供比铅酸电池更长寿命和更快的充电速度；

（3）能在零度以下工作的储能系统。

总之，AiCE方法为基于质子传导的各种电化学技术设计和定制电解质特性开辟了一条新途径。

图2. 基于AiCE的全固态质子电池性能

Acid-in-clay Electrolyte for Wide-temperature-range and Long-cycle proton Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202202063

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