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pH调控新机制!高价Al³⁺替代强酸,水系质子电池循环寿命提升209%,佳木斯大学CEJ

能源学人 2026-07-27 13:26
文章摘要
本文针对水系氢质子电池(AHPBs)中低pH提升容量但牺牲循环寿命的矛盾,系统研究了pH对电池性能的热力学与动力学双重调控机制。背景上,AHPBs依靠H⁺的Grotthuss跳跃机制实现高倍率,但强酸腐蚀锌负极导致循环衰减。研究目的是揭示pH影响机制并探索无酸替代策略。实验通过调控pH从5.2降至2.2,比容量提升117%至635.17 mAh g⁻¹,电压差降低60%,效率提升至85.94%,但循环寿命从1500圈锐减至220圈。机制上,低pH提供高H⁺浓度和更多SO₄²⁻,优化氢键网络,弱氢键(SO₄²⁻-H⁺)比例从7.04%升至11.38%,DFT证实其结合能低于H₂O-H⁺一半,加速质子传输。为解决腐蚀问题,提出高价阳离子(Al³⁺)替代强酸,Al³⁺-3H₂O解离能仅5.22 eV,可缓释H⁺。实验验证Al₂(SO₄)₃调至pH 2.2后容量与H₂SO₄相当,循环寿命从220圈提升至680圈,提升209%。结论表明,Al³⁺作为质子缓冲剂有效平衡高容量与长寿命,为水系质子电池电解液设计提供新思路。
pH调控新机制!高价Al³⁺替代强酸,水系质子电池循环寿命提升209%,佳木斯大学CEJ
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