松山湖材料实验室Nature Communications发现：可以变色的高稳定水系铁电池

第一作者：吕海明 魏志权

通讯作者：支春义*，李洪飞*，韩翠平*

单位：松山湖材料实验室 香港城市大学 南方科技大学 深圳理工大学

水系可充电电池具有高安全性，是实现大规模储能的有利候选者。铁是地球上最丰富的元素之一，也是支持现代社会的最便宜的金属之一。更重要的是，金属铁具有良好的电化学性能，即低氧化还原电位(−0.44 V vs.标准氢电极)和高理论容量(7557 mAh cm⁻³或960 mAh g^-1)。因此，铁金属正在成为一种可行的负极活性材料用于可充电水系电池。然而，一价Li⁺和二价Fe²⁺离子的离子半径相似 (Fe²⁺为0.078nm，Li⁺为0.076 nm)，二价Fe²⁺离子的电荷量较高。因此，铁离子与主晶格之间发生强静电相互作用，导致扩散缓慢，循环稳定性差。目前，对铁离子电池的研究仍处于初级阶段。开发高稳定的阴极材料仍然是一个挑战，而且铁离子的存储机制尚不清楚。

聚苯胺作为一种经典的电致变色材料，颜色变化丰富，调控波段较宽：从可见光波段到毫米波段，主要用于智能窗、红外隐身和航天智能热控等领域。同时，聚苯胺由于高的导电率、大的理论比容量，与金属离子配位氧化还原机制的快速反应动力学和环保性质，是一种储能系统的电极活性材料。更重要的是，与无机电极材料相比，导电聚合物的长程共轭芳香环，表现出更灵活的固有结构和对多价离子存储的低排斥力。然而，传统的聚苯胺面临导电性差，电化学稳定性差的缺点，导致循环寿命短，反应动力学缓慢。

近日，松山湖材料实验室支春义团队，南方科技大学李洪飞和深圳理工大学韩翠平开发了一种水铁||有机电池，用交联聚苯胺作为阴极、铁金属阳极和1M水铁（II）三氟甲磺酸盐(Fe(CF₃SO₃)₂)电解质溶液。与传统的PANI相比，植入的交联剂增强了聚苯胺的稳定性；因此，在25 Ag⁻¹的电流密度下，实现了39,000圈周期的寿命，并提高了速率能力。此外，该电池具有高比容量和高速率性能(133 mAh g⁻¹, 25 Ag⁻¹)。机理研究表明：在充放电过程中，Fe²⁺离子与TOF⁻结合形成Fe(TOF)⁺复合离子，这些复合离子的静电相互作用低于二价Fe²⁺离子，增加了反应动力学。此外，还证明了Fe(TOF)⁺复合物离子和质子放电过程中的共储存储机制。最后，成功组装了柔性铁||C-PANI电致变色电池，实现了既能变色又能储存能量的功能。相关成果在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Cross-linked polyaniline for production of long lifespan aqueous iron||organic batteries with electrochromic properties”的文章。

在聚苯胺中引入交联点形成交联聚苯胺，不仅能提高聚苯胺的导电性，而且还能增加聚苯胺的电化学稳定性。

机理研究表明，Fe²⁺离子与TOF⁻阴离子结合形成带正电荷的复合离子Fe(TOF)⁺，降低了阳离子的电荷密度，减弱了与宿主材料的静电力，提升反应动力学；在放电过程中，这些复合离子与质子一起存储在C-PANI电极结构中。

将反射型电致变色器件与水系铁电池集成在一个器件中，不仅可以储存能量，还可以调控可见光波段的反射率和中红外波段的发射率。

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