卢灿辉教授、周泽航副研究员，CEJ：稳定自由基电极在盐包水电解质中的两电子转换机理协同增加电荷存储

第一作者：陈彬霞

通讯作者：卢灿辉*，周泽航*

单位：四川大学

随着电子器件的快速发展，开发具有高安全性、高输出电压、高能量密度的电池需求日益剧增。盐包水电解质（Water-in-Salt Electrolyte，WISE）是一种高浓度水系电解质，大量阴阳离子对和聚集体的存在可有效地提高水的分解电压，拓宽工作电压窗口。但是WISE 通常具有高粘度、低导电性和对电极的润湿性差等问题，导致储能器件的电化学反应动力学缓慢。因此，探索适合 WISE 的新型电极材料具有重要意义。本研究探索以具有快速电子迁移速率、高结构稳定性的有机自由基作为电极，研究其在盐包水电解质（饱和LiCl）中的电化学性能，储能机制和离子迁移方式等，为自由基在盐包水电解质中的应用提供重要参考依据。

近日，来自四川大学的卢灿辉教授与周泽航副研究员在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Two-electron conversion nitroxide radicals-based electrode synergistically enhancing charge storage in water-in-salt electrolyte”的文章。该文章以多孔碳作为4-氨基-TEMPO的导电骨架，以MXene作为导电成膜剂构筑了三维多孔MXene/C-TEMPO复合电极，并系统分析了稳定氮氧自由基在盐包水电解质中的储能机理。文章第一作者是博士研究生陈彬霞。

通过浓酸氧化处理在多孔碳表面引入大量羧基。随后，通过氨基和羧基之间的酰胺化反应，4-氨基-TEMPO被接枝到表面改性的多孔碳上，再经混合、真空辅助抽滤得到具有三维类豌豆荚结构的自支撑MXene/C-TEMPO复合薄膜电极。制备的MXene/C-TEMPO 30%复合薄膜电极具有高比表面积67.6 m2 g^-1，Micro-CT进一步确定平均孔面积为8092.06 μm²。EPR测定复合电极的自旋浓度为3.02 × 1020 spins g^-1。

以PTFE为粘结剂制备PTFE/C-TEMPO为对比样，测试其在WISE中的电化学性能。结果显示PTFE/C-TEMPO 电极的CV 曲线显示出明显的梭形，表明氮氧自由基在WISE 中呈现赝电容行为。MXene/C-TEMPO 电极在 -0.84 V 处显示了一个可见的氧化峰，在 -0.94 V 处显示了一个还原峰，归属于导电成膜剂MXene的赝电容性 Li⁺ 储存机制。这些结果表明，氮氧自由基和MXene导电粘合剂在该电位窗口中都呈现电化学活性。GCD测试得到MXene/CTEMPO 30 % 电极在0.1 A g^-1电流密度下质量比容量达 109.4 mAh g^-1，明显高于原始 MXene 电极（50.3 mAh g^-1）、PTFE/C-TEMPO 电极（46.2 mAh g^-1）。

采用非原位紫外测试MXene/C-TEMPO30%电极在不同充放电状态下的吸收光谱，证明了MXene 导电粘合剂组分和氮氧自由基组分在-1.05-0.45 V电位窗口内协同增强的储能行为。Dunn法和GITT法进一步分析MXene/C-TEMPO 30%电极的电荷存储机理主要由电容控制过程主导，包括氮氧自由基的表面赝电容和 MXene 导电粘合剂的表面 Li⁺ 插层赝电容。这一发现表明，多孔碳上接枝的氮氧自由基的电子穿梭和 MXene 纳米片表面的电子转移在电荷存储中发挥着重要作用。此外，设计的 MXene/C-TEMPO 电极三维导电结构极大地促进了氮氧自由基-多孔碳和 MXene-多孔碳之间的电子转移。在这个复杂的过程中，电解质离子在系统内扩散，以维持电极内的电荷平衡。

Two-electron conversion nitroxide radicals-based electrode synergistically enhancing charge storage in water-in-salt electrolyte

卢灿辉教授简介：高分子材料工程国家重点实验室（四川大学）、四川大学高分子研究所教授、博士生导师，四川省学术与技术带头人，四川省有突出贡献优秀专家，兼任中国塑料加工工业协会专家委员会副秘书长、四川省轮胎翻新与利用协会副会长。

围绕 “新材料”和“难再生废弃高分子材料高效、高质、高值回收与再制造”等国家重大需求开展研究，主要开展废弃橡胶（包括特种橡胶）及交联型废弃高分子材料的解交联再生利用及再制造技术与装备开发；围绕可再生资源开展纤维素/甲壳素的微纳米加工及其与二维材料的宏观组装，重点研究其在柔性传感、纳米发电、电化学储能器件的设计、构建及其在可穿戴设备中的应用。相关成果发表在ACS Nano, Science Advances，Advanced Materials, Energy Storage Materials, Angew Chem Int Ed, Advanced Functional Materials等期刊，论文得到广泛引用和正面评价。

近年来在聚烯烃高填充无机粉体复合材料、废旧轮胎橡胶和特种橡胶高值化利用新技术和新装备、纳米纤维素制备和功能材料等技术开发和产业化应用取得突出成绩，其中15项研究成果实现产业化应用，取得重大的经济效益和社会效益。研究成果曾荣获“国家技术发明奖”二等奖、“教育部科学技术奖”一等奖及中国轻工业联合会科技进步一等奖、中国专利金奖和其他省部级科技进步二等奖5项。

周泽航副研究员简介：四川大学博士，美国宾夕法尼亚大学联合培养博士，四川大学高分子研究所副研究员、硕士生导师。主要研究领域包括天然高分子复合材料和二维材料/聚合物复合功能材料的制备加工等。