曲良体教授/张志攀教授团队AM | 级联电池：在同一个电池中耦合两个连续的电化学反应

电池主要由正极、负极、电解液、集流体、隔膜和封装外壳组成。其中，集流体、隔膜以及封装外壳为非电化学活性组分，为正负极提供一个可以进行氧化还原反应的场所。当前的电池通常基于一个可逆的氧化还原反应进行充放电，而不能在同一个反应腔体中耦合不同的氧化还原反应。鉴于此，清华大学曲良体教授和北京理工大学张志攀教授团队提出级联电池概念，在同一个反应腔体中耦合两个连续的电化学反应，从而更充分的利用非电化学活性的反应腔体，在器件级别上提高电池的能量密度。相关工作以“A Cascade Battery: Coupling Two Sequential Electrochemical Reactions in a Single Battery”为题发表在《Advanced Materials》上。北京理工大学博士研究生代春龙为本文第一作者，清华大学曲良体教授和北京理工大学张志攀教授为本文通讯作者。

水系锌基电池具有高的安全性和低的价格，有望在大规模储能领域中发挥重要作用。然而其正极材料的比容量较低，通常低于600 mAh g ⁻¹。硫是一种具有商业应用潜力的正极材料，以Cu²⁺作为载流子时，其理论放电比容量可以达到3350 mAh g⁻¹。作者以S为正极，Cu²⁺为正极载流子，Zn和Zn²⁺分别为负极和负极载流子来构建水系级联电池（ACB）。其第一步氧化还原反应基于S + 2Cu²⁺+ 4e⁻→ Cu₂S，当硫正极完全反应生成Cu₂S后，正极电解液中的Cu²⁺继续还原，生成Cu/Cu₂O，进行第二步的氧化还原反应，从而自然地将两个电化学反应结合在一起，无需改变原有的电池配置或增加额外的电极 /电解液：

Step 1：S + 2Cu²⁺+ 2Zn → Cu₂S + 2Zn²⁺

Step 2：Cu²⁺+xO₂+ Zn → (1-4x)Cu + 2xCu₂O + Zn²⁺

值得一提的是，在ACB中，步骤1的放电产物Cu₂S能够催化步骤2的放电和充电过程。

与基于一个电化学反应的传统电池相比，级联电池具有一些独特的优势。首先，其实现了两种电池的内部集成。将两个或多个电池集成在一起是获得高容量和能量密度的通用策略。然而，目前的集成是通过外部电池集成，需要使用额外的连接线，导致设备级容量和能量密度的降低。级联电池在内部集成了两个电池反应，避免了外部集成所需的非电化学活性的连接组件。其次，与传统电池相比，级联电池可以更充分地利用电池的非活性反应室（集流体、隔膜和包装外壳）。理论上，电池的容量和能量密度直接受所用非活性反应室的数量影响。级联电池在同一个反应室中耦合两种不同的电化学反应，这意味着每个电池反应的反应室减半，有利于在设备级提高容量和能量密度。第三，级联电池有望获得高面积容量和能量密度。对于传统电池，增加活性材料的面积负载是获得高面积性能的最直接和有效的方法。然而，面积负载过高会损害电池性能，因为厚固体电极会导致长的离子传输距离、缓慢的传质以及大的内阻。在 ACB 中，因为液体介质中的反应动力学很快，液体中的Cu²⁺不受固体电极的限制。ACB 可以在硫负载量为 9.6 mg cm⁻²时，提供 48 mAh cm⁻²的超高面积容量。相比之下，以水系锂离子电池为例，即使在约 38 mg cm⁻²的超高负载下，也只能释放出约 9.2 mAh cm⁻²。级联电池的概念设计结合了固-固和液-固转化反应的优点，打破了固体电极的局限性，实现了高面积容量。此外，作者还制备了一种柔性ACB，具有良好的柔韧性和安全性，在各种弯曲状态和破坏下保持几乎相同的放电曲线。

图1. （a）级联电池的概念和优势，（b）ACB的放电曲线和（c-e）工作机制示意图。

图2. ACB的工作机制。原位XRD显示ACB放电过程中，S首先转变为Cu₂S，随后Cu²⁺转变为Cu/Cu₂O。

图3. 柔性ACB的电化学性能。柔性ACB的结构示意图和充放电曲线，柔性ACB在（c）不同弯曲次数，（d）不同剪裁次数和（e）不同刺穿次数下的充放电曲线。柔性ACB的抗压，抗刺穿，抗剪裁的展示。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105480

来源：高分子科学前沿

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