具有鐵（Fe）金屬負(fù)極的水系電池是一種很有前途的安全、低成本的固定存儲(chǔ)技術(shù)。Fe可以提供高的重量和體積容量，但其商業(yè)可行性受到競(jìng)爭(zhēng)性副反應(yīng)和低庫侖效率的阻礙。基于此，斯坦福大學(xué)崔屹院士（通訊作者）等人報(bào)道了聚乙二醇（PEG）作為擁擠劑在鐵電解液中抑制競(jìng)爭(zhēng)性析氫反應(yīng)（HER）和提高Fe電鍍/剝離效率的可行性。在1 mol的Fe電解液（Fe(OTf)2）中，采用60% PEG/40% H2O作為溶劑，F(xiàn)e||Cu半電池的庫侖效率更高，F(xiàn)e||Fe對(duì)稱電池的循環(huán)壽命是由100% H2O溶劑組成的對(duì)照組的兩倍以上。此外，作者發(fā)現(xiàn)60%的PEG電解液在循環(huán)過程中減少了近10倍的氫氣（H2）生成。這種電解液工程方法還可以在電鍍過程中產(chǎn)生更多的結(jié)晶鐵核和更密集的生長，從而產(chǎn)生高度致密和可逆的Fe負(fù)極。本研究結(jié)果進(jìn)一步推動(dòng)了分子擁擠電解液的發(fā)展，用于高效Fe金屬負(fù)極。
相關(guān)工作以《Crowding Agent Stabilizes Aqueous Electrolyte for Reversible Iron Metal Anode》為題發(fā)表在2025年2月3日的《ACS Energy Letters》上。
崔屹，納米材料科學(xué)家，美國國家科學(xué)院院士，斯坦福大學(xué)終身教授、博士生導(dǎo)師。1998年在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位；2002年在美國哈佛大學(xué)獲博士學(xué)位；2003年在加州大學(xué)伯克利分校從事博士后研究。29歲入職斯坦福大學(xué)，44歲成為斯坦福能源研究所的首位華裔主任。主要研究?jī)?nèi)容為納米材料在能量存儲(chǔ)、光伏器件、拓?fù)浣^緣體、生物及環(huán)境等方向的應(yīng)用。
崔屹教授2005年進(jìn)入斯坦福任教，19年來在他的斯坦福實(shí)驗(yàn)室受訓(xùn)的博士已經(jīng)超過160位，培養(yǎng)出了超過90位教授，遍布世界名校。
作者利用四種電解液分別組裝了Fe||Cu半電池。0% PEG電解質(zhì)的首循環(huán)庫侖效率（CE）最低，為40%，而60% PEG體系的首循環(huán)CE最高，為68%。70% PEG電解液的初始CE為60.1%，略低于50% PEG體系的初始CE為64.5%。值得注意的是，0% PEG電解質(zhì)在第1次循環(huán)中具有最低的鍍層過電位，而隨著離子電導(dǎo)率的降低，PEG含量的增加會(huì)增加過電位。
60% PEG在第18次循環(huán)中首先達(dá)到60-90%的CE，70%、50%和0%電解液的CE分別為82.7%、82.1%和76%。因此，60% PEG具有穩(wěn)定的電壓分布，平均CE最高。作者還用60% PEG和對(duì)照0% PEG電解液組裝了軟包電池。軟包電池的第1次循環(huán)CE為68.45%，而扣式電池為68%。組裝的Fe||Fe對(duì)稱扣式電池，在0.2 mA cm-2和0.2 mAh cm-2下，0% PEG電池僅在20 h后就開始短路，24 h后就不能再運(yùn)行。
圖2.電解液中不同PEG含量的Fe金屬負(fù)極的電化學(xué)性能
作者制備了Fe||Cu半電池，在與之前使用的相同電流參數(shù)（0.2 mA cm-2、0.2 mAh cm-2）下循環(huán)10次電鍍和剝離循環(huán)。循環(huán)后，0% PEG體系在10次循環(huán)中產(chǎn)生0.112 mmol H2，而60% PEG體系在10次循環(huán)中平均產(chǎn)生0.0124 mmol H2，表明當(dāng)引入60% PEG時(shí)，H2的析出量減少了近10倍。在0%和60% PEG兩種電解液中，F(xiàn)e2+平均被6個(gè)H2O分子溶解，陽離子-陰離子配對(duì)沒有顯著差異。Fe2+溶劑化的主要區(qū)別在于60% PEG的電解質(zhì)將一些PEG引入到第二溶劑化殼層，但對(duì)第一殼層H2O中質(zhì)子酸度的影響尚不清楚。與0% PEG電解液相比，60% PEG電解液中溶解Fe2+的水分子本身較少被其他水分子溶解，突出了PEG在破壞H2O-H2O氫鍵方面的有效性。結(jié)果表明，PEG確實(shí)破壞了H2O氫鍵網(wǎng)絡(luò)。
圖3. 0%和60% PEG電解液中析出H2和物種溶劑化
Crowding Agent Stabilizes Aqueous Electrolyte for Reversible Iron Metal Anode. ACS Energy Lett., 2025
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