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目前，高性能質子電池的發展受到放氣問題和較差的循環壽命的阻礙。在水系電解液中很容易引發析氫和析氧反應，這限制了質子電池的工作電壓并導致嚴重的放氣問題。放氣會使電池膨脹，降低體積能量密度并導致安全問題。此外，酸性電解質還會導致集流體或電極材料的溶解。

為此，美國麻省理工學院李巨教授、俄勒岡州立大學紀秀磊教授及猶他大學高濤教授等人報道了一系列新的質子電解質并將其稱為粘土酸（acid-in-clay）電解質（AiCE），用于解決質子電池的放氣、腐蝕和元素交叉問題。

具體而言，AiCE 是通過將H₃PO₄吸收到頁硅酸鹽粘土（海泡石）中形成凝膠狀全無機材料而合成的。其中，海泡石含有8.7 wt%的吸附水和7.5 wt% 的結構水，據此其化學式可寫為Mg₂H₂(SiO₃)₃·3.0H₂O，作者通過改變酸溶液中酸分子與水的摩爾比（R）及液體（酸溶液）與固體（粘土粉）的重量比（N）來調整質子濃度。與液態H₃PO₄電解質相比，這些AiCE表現出超快的質子電導率（25°C為15 mS cm^-1，-82°C為0.023 mS cm^-1）、更寬的電化學穩定性窗口（3.35 V）、增強的化學穩定性和出色的離子選擇性（限制不需要的元素交叉溶解）。

圖1. AiCE的動力學和熱力學特性

因此，基于AiCE的全固態質子電池表現出優異的質子傳輸特性（室溫下720 C時的容量保持率為33%，-60 °C下1 C時的容量保持率為42%）和循環性能（室溫下在1000 mA g^-1時20000次循環后容量保持率為76%；-20 °C下100 mA g^-1時3000次循環后容量保持率為100%）。此外，作者用另外兩種代表性粘土（膨潤土和埃洛石）和另一種代表性酸（硫酸）進一步證明了AiCE方法。

這種質子電池可以填補鉛酸電池和超級電容器之間的空白，適用于以下細分市場：

1）既要求有超級電容器的快速充電，但又能提供比超級電容器更高的能量密度；

2）既需要鉛酸電池的能量密度，但又能提供比鉛酸電池更長壽命和更快的充電速度；

（3）能在零度以下工作的儲能系統。

總之，AiCE方法為基于質子傳導的各種電化學技術設計和定制電解質特性開辟了一條新途徑。

圖2. 基于AiCE的全固態質子電池性能

Acid-in-clay Electrolyte for Wide-temperature-range and Long-cycle proton Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202202063

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李巨/紀秀磊/高濤AM: 用于寬溫長循環質子電池的新型粘土酸電解質

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