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Low-Temperature-Tolerant Aqueous Proton Battery with Porous Ti3C2Tx MXene Electrode and Phosphoric Acid Electrolyte

电解质 MXenes公司 材料科学 电池(电) 电化学 阳极 水溶液 质子输运 化学工程 阴极 氢铵 超级电容器 无机化学 质子 电极 分子 化学 纳米技术 物理化学 有机化学 热力学 功率(物理) 工程类 物理 量子力学
作者
Jun Zhu,Xude Li,Bingqing Hu,Shanhai Ge,Jiang Xu
出处
期刊:Batteries [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:10 (6): 207-207
标识
DOI:10.3390/batteries10060207
摘要

Supercapacitors have long suffered from low energy density. Here, we present a high-energy, high-safety, and temperature-adaptable aqueous proton battery utilizing two-dimensional Ti3C2Tx MXenes as anode materials. Additionally, our work aims to provide further insights into the energy storage mechanism of Ti3C2Tx in acid electrolytes. Our findings reveal that the ion transport mechanism of Ti3C2Tx remains consistent in both H2SO4 and H3PO4 electrolytes. The mode of charge transfer depends on its terminal groups. Specifically, the hydrogen bonding network formed by water molecules adsorbed by hydroxyl functional groups under van der Waals forces enables charge transfer in the form of naked H+ through the Grotthuss mechanism. In contrast, the hydrophobic channel formed by oxygen and halogen terminal groups facilitates rapid charge transfers in the form of hydronium ion via the vehicle mechanism, owing to negligible interfacial effect. Herein, we propose an aqueous proton battery based on porous hydroxy-poor Ti3C2Tx MXene anode and pre-protonated CuII[FeIII(CN)6]2/3∙4H2O (H-TBA) cathode in a 9.5 M H3PO4 solution. This proton battery operates through hydrated H+/H+ transfer, leading to good electrochemical performance, as evidenced by 26 Wh kg−1 energy density and 162 kW kg−1 power density at room temperature and an energy density of 17 Wh kg−1 and a power density of 7.4 kW kg−1 even at −60 °C.
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