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水系電解液是各種高能、低成本、安全電池最受青睞的選擇之一。然而，由水系電解液帶來的不希望的寄生析氫反應(yīng)（HER），尤其是在高活性金屬負(fù)極上，仍然是這些電池的發(fā)展瓶頸。

在此，中南大學(xué)賴延清教授、周言根教授及仲奇凡副教授等人提出了引入溶劑在堿性水溶液中重建氫鍵網(wǎng)絡(luò)的通用策略，有效降低了游離水分子的比例并降低了水活性，從而減輕了鋁負(fù)極的自腐蝕和HER。分子動(dòng)力學(xué)模擬和各種表征表明，通過引入氫鍵受體作為添加劑，自由水分子可以通過強(qiáng)氫鍵相互作用錨定，并且不利于在負(fù)極表面分解。

令人印象深刻的是，作者確定了溶劑添加劑的供體數(shù)量（DN）作為預(yù)測(cè)水系電解液中自由水變化和水活性的描述符。研究表明，隨著DN的增加，更多的自由水分子可以被限制并有助于提高電池的性能。

圖1. 分子動(dòng)力學(xué)模擬研究

實(shí)驗(yàn)研究了在指導(dǎo)下選擇的高DN溶劑，其最低析氫速率為0.02 mL min^-1 cm^-2。在中等濃度下，鋁空氣電池的最高能量密度為3106.04 Wh kg^-1，放電容量為2271.39 mAh g^-1。基于理論和實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)現(xiàn)為通過添加溶劑合理設(shè)計(jì)水系電解液開辟了道路，同時(shí)高供體溶劑在水系電解液中的使用擴(kuò)大了其在非水電解液中鋰硫和鋰氧電池以外的應(yīng)用。

應(yīng)該指出的是，用更環(huán)保的溶劑添加劑替代本工作中使用的低毒添加劑可能會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用，這種策略有可能抑制氧化還原液流電池、其他金屬基電池和電催化還原中的寄生 HER。

圖2. 鋁空氣全電池的電化學(xué)性能

Hydrogen-bond Network Manipulation of Aqueous Electrolytes with High-donor Solvent Additives for Al-air Batteries, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.11.030

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中南EnSM：最高能量密度為3106.04 Wh kg-1的鋁空氣電池

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