中南EnSM：最高能量密度为3106.04 Wh kg-1的铝空气电池

水系电解液是各种高能、低成本、安全电池最受青睐的选择之一。然而，由水系电解液带来的不希望的寄生析氢反应（HER），尤其是在高活性金属负极上，仍然是这些电池的发展瓶颈。

在此，中南大学赖延清教授、周言根教授及仲奇凡副教授等人提出了引入溶剂在碱性水溶液中重建氢键网络的通用策略，有效降低了游离水分子的比例并降低了水活性，从而减轻了铝负极的自腐蚀和HER。分子动力学模拟和各种表征表明，通过引入氢键受体作为添加剂，自由水分子可以通过强氢键相互作用锚定，并且不利于在负极表面分解。

令人印象深刻的是，作者确定了溶剂添加剂的供体数量（DN）作为预测水系电解液中自由水变化和水活性的描述符。研究表明，随着DN的增加，更多的自由水分子可以被限制并有助于提高电池的性能。

图1. 分子动力学模拟研究

实验研究了在指导下选择的高DN溶剂，其最低析氢速率为0.02 mL min^-1 cm^-2。在中等浓度下，铝空气电池的最高能量密度为3106.04 Wh kg^-1，放电容量为2271.39 mAh g^-1。基于理论和实验研究的发现为通过添加溶剂合理设计水系电解液开辟了道路，同时高供体溶剂在水系电解液中的使用扩大了其在非水电解液中锂硫和锂氧电池以外的应用。

应该指出的是，用更环保的溶剂添加剂替代本工作中使用的低毒添加剂可能会进一步促进其实际应用，这种策略有可能抑制氧化还原液流电池、其他金属基电池和电催化还原中的寄生 HER。

图2. 铝空气全电池的电化学性能

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：最高能量密度为3106.04 Wh kg-1的铝空气电池

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