综述背景
综述内容
图文导读
图1. (a)可充电氢气电池的原理图。(b) 氢气电池的正极结构示意图。(c) 氢气电池的氢催化负极示意图。(d) 氢气电池电解质示意图。
图3. 氢气电池的发展历史图。
对于正极材料，普鲁士蓝类似物已被视为电化学储能领域的潜在正极材料。Chen及其团队将PBA作为正极，与氢气负极相结合，开发出适用于不同阳离子的电池(包括Na+、K+和H+)，即PBA(Na+)-H2电池、PBA(K+)-H2电池以及PBA(H+)-H2电池。这些混合电池的工作原理如图6b所示。在充电阶段，阳离子(Na+、K+或H+)会从PBA正极中脱出，同时H+会迁移至气体扩散层负极，并在那里生成H2。放电阶段则发生相反的过程，阳离子(Na+、K+或H+)会重新嵌入PBA正极，而负极的H2则会被氧化。
组装的PBA(Na+)-H2和PBA(K+)-H2混合电池展现出了卓越的倍率性能。如图6d所示，PBA(Na+)-H2电池在5、10、20、40和60 C的电流密度下，分别展现出了约52、47、41、34和30 mAh g-1的放电容量，表现出了出色的容量保持能力。即便在高达100 C的高倍率条件下，该电池仍能实现26 mAh g-1的容量。而PBA(K+)-H2电池在5 C时保持了47 mAh g-1的容量，在100 C的高倍率条件下，其容量仍维持在20 mAh g-1左右(图6e)。PBA(H+)-H2电池在酸性电解质环境中展现出了惊人的快速充放电能力和超长使用寿命。在10、80、160、320、640和960 C的充放电测试中，该电池的容量分别为52、48.3、46.4、43.8、39.7和35.9 mAh g-1(图6g)。除此之外，PBA(H+)-H2电池在极低温度条件下同样表现出色。在-20、-40和-60℃的低温环境中，该电池在5 C电流速率下的容量分别为47、42和30 mAh g-1(图6i)。当温度进一步降低至-80℃时，电池在0.5 C的电流速率下仍能保持其室温容量的54%(图6i)。
2024年，陈及其团队再次突破，创新性地研发了一种低成本的H2/K+混合电池，该电池采用Fe-Mn基K2.74Mn[Fe(CN)6]0.90·0.13H2O(简称KMF)作为正极材料。KMF晶体结构的示意图如图6j所示，其中Mn和Fe分别占据了正八面体结构中的Mn-N和Fe-C位置。图6k展示了KMF的出色速率性能：在1、3、5、7和9 A g-1的电流密度下，该电池分别实现了184.5、165.8、164.0、164.6和164.6 mAh g-1的高放电容量。尽管在高电流密度下由于扩散限制导致容量略有下降，但KMF的容量始终保持在164 mAh g-1以上，当电流密度从3 A g-1提升至9 A g-1时，其容量保持率近乎100%。
氢气电池需被密封于充有氢气的压力容器之中，以促进HOR。图7a展示了一款类似纽扣电池的Swagelok型电池，其独特亮点在于设置了进气口与排气口，并采用了特殊橡胶密封技术，有效防止氢气泄漏，从而确保了电池测试的可靠性。图7b则展示了采用铜环密封的Ah级氢气电池压力容器，这种设计进一步增强了容器的气密性。该压力容器在测试卷绕式和堆叠式氢气电池堆时展现出极高的灵活性，并且在超低温环境下依然能保持良好的气密性能。在实际应用中，多个单个电池通过串联和并联的方式连接成电池堆，以此提升电池的总电压和容量。以背对背配置为例，两个正极相对放置，每个正极的一侧各放置一个隔膜，隔膜紧邻处设有铂负极，而每个负极的背面则配置有塑料气体扩散层。这些组件共同构成了电池堆的模块单元。整个电池堆由若干个这样的模块单元组合而成(图7c)。电池堆被安置在充满加压氢气的压力容器中，而密封端子则从压力容器中伸出，成为连接外部电路的重要部件。接着，将各个压力容器的外壳焊接在一起，形成一个完整的氢电池单元(图7d)。随后，这些氢气电池单元再次通过串联和并联的方式组合，并与电池管理系统相结合，最终构成了镍氢气电池系统(图7e)。近期，Enervenue公司对传统镍氢气电池结构进行了革新升级，成功研发出尺寸为183mm×2078mm的电池，旨在实现更高的能量密度和更高的集成效率(图7f)。
总结与展望
文献信息
Authors:Taoli Jiang#, Ziwei Zhang#, Shuyang Wei#, Shunxin Tan, Hongxu Liu and Wei Chen*
Title:Rechargeable Hydrogen Gas Batteries: Fundamentals, Principles, Materials, and Applications
https://doi.org/10.1002/adma.202412108
团队介绍
通讯作者介绍：
陈维，中国科学技术大学应用化学系教授、博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位；2014-2018年于斯坦福大学从事博士后研究工作；2018-2019年在EEnotech公司担任科学家；2019年7月入职中国科学技术大学，专注于大规模储能电池、电催化等研究。独立建组以来，作为(共同)通讯作者在Nature Sustainability, Nature Communications, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Joule, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials等国际期刊发表学术论文80余篇，论文总被引14000余次，H因子59。研究成果获得美国专利5项，中国发明专利20余项。担任Materials Today Energy编委，eScience, Nano Research Energy, Energy Materials Advances等杂志青年编委。
陈维课题组网页：http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1
第一作者介绍：
蒋涛立，中国科学技术大学应用化学系博士后，专注于高安全长寿命低成本储能电池技术开发及氢气电催化剂的研究。近年来，以第一作者及共同第一作者在Chemical Reviews, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, ACS Nano, Nano letters, Energy Storage Materials 等杂志发表SCI论文10余篇，研究成果申请专利5项，已获授权2项。获得国家资助博士后研究人员计划(B)档，主持博士后面上项目和中科大校青年创新基金等项目。
相关工作展示
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1. Taoli Jiang#, Zaichun Liu#, Yuan Yuan, Xinhua Zheng, Sunhyeong Park, Shuyang Wei, Linxiang Li, Yirui Ma, Shuang Liu, Jinghao Chen, Zhengxin Zhu, Yahan Meng, Ke Li, Jifei Sun, Qia Peng,Wei Chen*, Ultrafast electrical pulse synthesis of highly active electrocatalysts for beyond-industrial-level hydrogen gas batteries, Advanced Materials, 2023, 35, 2300502.
https://doi.org/10.1002/adma.202300502
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3. Zhengxin Zhu#, Zaichun Liu#, Yichen Yin, Yuan Yuan, Yahan Meng, Taoli Jiang, Qia Peng, Weiping Wang, Wei Chen*, Production of a hybrid capacitive storage device via hydrogen gas and carbon electrodes coupling, Nature Communications, 2022, 13, 2805.
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9. Shuang Liu#, Ying Wang#, Taoli Jiang,# Song Jin, Muhammad Sajid, Zuodong Zhang, Jingwen Xu, Yanpeng Fan, Xiaoyang Wang, Jinghao Chen, Zaichun Liu, Xinhua Zheng, Kai Zhang, Qingshun Nian, Zhengxin Zhu, Qia Peng, Touqeer Ahmad, Ke Li, Wei Chen*, Non-Noble Metal High-Entropy Alloy-Based Catalytic Electrode for Long-life Hydrogen Gas Batteries, ACS Nano, 2024, 18, 5, 4229-4240.
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10. Kai Zhang#, Zaichun Liu#, Nawab Ali Khan, Yirui Ma, Zehui Xie, Jingwen Xu, Taoli Jiang, Hongxu Liu, Zhengxin Zhu, Shuang Liu, Weiping Wang, Yahan Meng, Qia Peng, Xinhua Zheng, Mingming Wang, Wei Chen*, An All-Climate Nonaqueous Hydrogen Gas-Proton Battery, Nano Letters, 2024, 24, 5, 1729-1737.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04566
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