南开JACS：基于羟基乙酸铝电解质双极离解的可持续水系电池

可充电水系电池由于其高安全性和低成本而成为大规模储能的潜在系统。然而，开发具有高可持续性、可负担性和可逆性的水系电池是紧迫和具有挑战性的。

在此，南开大学陈军团队报告了一种由蒽醌(AQ)负极、两性羟基乙酸铝 (AlAc(OH)2) 电解质和氢氧化镍 (Ni(OH)2) 正极组成的电池系统。其中，AlAc(OH)2电解质具有双极性电离H+和OH-的能力，可促进AQ负极和Ni(OH)2正极的氧化还原反应。原位pH测试证明了H+/OH-在充放电过程中的消耗和释放。此外，通过原位紫外可见光谱证明了局部碱性环境提高了Ni(OH)2正极的循环稳定性和可逆性，而AQ负极的质子化导致形成未离解的O-H共价键，限制了AQ/H2AQ负极的溶解性。通过XRD、拉曼、NMR和DFT计算证明了电极材料的氧化还原反应机理。总的来说，设计的AQ | | Ni(OH)2电池表现出低电极溶解、无O2/H2产生和高可逆性，300次循环后AQ负极的放电容量为243.9 mAh g-1，容量保持率为78.2%，具有高度可逆性。

图1. AlAc(OH)2 水系电解质的 H+ /OH- 电离机制和电解质结构

总之，该工作报告了一种两性羟基乙酸铝（AlAc(OH)2）电解质，它具有H+和OH-双极电离能力，可促进蒽醌（AQ）负极和氢氧化镍（Ni(OH)2）正极的氧化还原反应。具体来说，H+的吸收可防止AQ负极形成离子键，抑制电极溶解，而OH-则为Ni(OH)2正极的稳定转化反应提供了局部碱性环境。结果显示，设计的AQ||Ni(OH)2 电池中的 AQ 负极放电容量为 243.9 mAh g-1，循环 300 次后容量保持率为 78.2%。此外，还组装出了一个放电容量为 0.90 Ah 的软包电池，根据电池总质量计算，能量密度为 44.7 Wh kg-1。因此，该项工作极大地拓宽了水系电池的类型，体现了双极电解质以及与H+和OH-发生不同电化学反应的设计理念。

图2. AQ|AlAc(OH)2|Ni(OH)2 全电池的电化学特性和性能

Sustainable Aqueous Batteries Based on Bipolar Dissociation of Aluminum Hydroxyacetate Electrolyte, Journal of the American Chemical Society 2024

DOI: 10.1021/jacs.3c13963