崔屹院士，最新ACS Energy Letters！

摘要：具有铁（Fe）金属负极的水系电池是一种很有前途的安全、低成本的固定存储技术。Fe可以提供高的重量和体积容量，但其商业可行性受到竞争性副反应和低库仑效率的阻碍。基于此，斯坦福大学崔屹院士（通讯作者）等人报道了聚乙二醇（PEG）作为拥挤剂在铁电解液中抑制竞争性析氢

成果简介

具有铁（Fe）金属负极的水系电池是一种很有前途的安全、低成本的固定存储技术。Fe可以提供高的重量和体积容量，但其商业可行性受到竞争性副反应和低库仑效率的阻碍。基于此，斯坦福大学崔屹院士（通讯作者）等人报道了聚乙二醇（PEG）作为拥挤剂在铁电解液中抑制竞争性析氢反应（HER）和提高Fe电镀/剥离效率的可行性。在1 mol的Fe电解液（Fe(OTf)2）中，采用60% PEG/40% H2O作为溶剂，Fe||Cu半电池的库仑效率更高，Fe||Fe对称电池的循环寿命是由100% H2O溶剂组成的对照组的两倍以上。此外，作者发现60%的PEG电解液在循环过程中减少了近10倍的氢气（H2）生成。这种电解液工程方法还可以在电镀过程中产生更多的结晶铁核和更密集的生长，从而产生高度致密和可逆的Fe负极。本研究结果进一步推动了分子拥挤电解液的发展，用于高效Fe金属负极。

相关工作以《Crowding Agent Stabilizes Aqueous Electrolyte for Reversible Iron Metal Anode》为题发表在2025年2月3日的《ACS Energy Letters》上。

崔屹，纳米材料科学家，美国国家科学院院士，斯坦福大学终身教授、博士生导师。1998年在中国科学技术大学获理学学士学位；2002年在美国哈佛大学获博士学位；2003年在加州大学伯克利分校从事博士后研究。29岁入职斯坦福大学，44岁成为斯坦福能源研究所的首位华裔主任。主要研究内容为纳米材料在能量存储、光伏器件、拓扑绝缘体、生物及环境等方向的应用。

崔屹教授2005年进入斯坦福任教，19年来在他的斯坦福实验室受训的博士已经超过160位，培养出了超过90位教授，遍布世界名校。

作者利用四种电解液分别组装了Fe||Cu半电池。0% PEG电解质的首循环库仑效率（CE）最低，为40%，而60% PEG体系的首循环CE最高，为68%。70% PEG电解液的初始CE为60.1%，略低于50% PEG体系的初始CE为64.5%。值得注意的是，0% PEG电解质在第1次循环中具有最低的镀层过电位，而随着离子电导率的降低，PEG含量的增加会增加过电位。

60% PEG在第18次循环中首先达到60-90%的CE，70%、50%和0%电解液的CE分别为82.7%、82.1%和76%。因此，60% PEG具有稳定的电压分布，平均CE最高。作者还用60% PEG和对照0% PEG电解液组装了软包电池。软包电池的第1次循环CE为68.45%，而扣式电池为68%。组装的Fe||Fe对称扣式电池，在0.2 mA cm-2和0.2 mAh cm-2下，0% PEG电池仅在20 h后就开始短路，24 h后就不能再运行。

图1.水系Fe电解液的性质

图2.电解液中不同PEG含量的Fe金属负极的电化学性能

作者制备了Fe||Cu半电池，在与之前使用的相同电流参数（0.2 mA cm-2、0.2 mAh cm-2）下循环10次电镀和剥离循环。循环后，0% PEG体系在10次循环中产生0.112 mmol H2，而60% PEG体系在10次循环中平均产生0.0124 mmol H2，表明当引入60% PEG时，H2的析出量减少了近10倍。在0%和60% PEG两种电解液中，Fe2+平均被6个H2O分子溶解，阳离子-阴离子配对没有显著差异。Fe2+溶剂化的主要区别在于60% PEG的电解质将一些PEG引入到第二溶剂化壳层，但对第一壳层H2O中质子酸度的影响尚不清楚。与0% PEG电解液相比，60% PEG电解液中溶解Fe2+的水分子本身较少被其他水分子溶解，突出了PEG在破坏H2O-H2O氢键方面的有效性。结果表明，PEG确实破坏了H2O氢键网络。

图3. 0%和60% PEG电解液中析出H2和物种溶剂化