Chinese scientists created a rechargeable lithium-hydrogen gas battery for the first time in the world. It has a super high theoretical energy density of 2825 Wh/kg because Li and H are the lightest elements.
Paper in English:
The global clean energy transition and carbon neutrality call for developing high-performance batteries. Here we report a rechargeable lithium metal - catalytic hydrogen gas (Li−H) battery utilizing two of the lightest elements, Li and H. The Li−H battery operates through redox of H2/H+ on the cathode and Li/Li+ on the anode. The universal properties of the H2 cathode enable the battery to demonstrate attractive electrochemical performance, including high theoretical specific energy up to 2825 Wh kg−1, discharge voltage of 3 V, round-trip efficiency of 99.7 %, reversible areal capacity of 5–20 mAh cm−2, all-climate characteristics with a wide operational temperature range of −20–80 °C, and high utilization of active materials. A rechargeable anode-free Li−H battery is further constructed by plating Li metal from cost-effective lithium salts under a low catalyst loading of <0.1 mg cm−2. This work presents a route to design batteries based on catalytic hydrogen gas cathode for high-performance energy storage applications.
News in Chinese:
近日,中国科学技术大学化学与材料科学学院陈维教授课题组在国际期刊《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed)发表了题为“Rechargeable lithium-hydrogen gas batteries”的研究文章,首次报道了氢气电极作为正极的电池化学新体系,为基于氢气正极设计高性能电池提供了一种新途径。
氢气(H2)作为最具前景且经济高效的可再生资源之一,凭借其合适的氧化还原电位(0 V vs. SHE)、低过电位(约0 V)以及长期稳定性,可在与高活性电催化剂(如Pt/C)结合时,成为一种极具吸引力的电池电极材料。自20世纪60年代以来,可充电的镍-氢气(Ni-H)电池化学因其高稳定性、可靠性和耐久性,已被NASA成功应用于航空航天领域超过30年。近年来,中国科学技术大学陈维教授课题组聚焦于氢气电池,创制了不同类型的氢气电池体系(Adv. Mater. 2024, 2412108; Chem. Rev. 2022, 122, 16610-16751),包括先进的镍-氢气电池(Adv. Mater. 2023, 2300502)、卤素-氢气电池(JACS 2023, 145, 25422-25430)、质子-氢气电池(JACS 2021, 143, 20302-20308)以及碳-氢气电池(Nat. Commun. 2022, 13, 2805)等,以其卓越的循环稳定性重新受到关注,并在大规模储能中展现出巨大潜力。这些体系均将氢气电极用作负极。然而,基于氢气负极的电池在0.8-1.4 V的有限工作电压下运行,能量密度相对较低。因此,作者提出,氢气的优异氧化还原特性不仅使其可作为负极,还可作为极具潜力的正极,与低电位负极配对。基于氢气正极的电池在与碱金属负极结合时,可展现出更高的能量密度和工作电压。其中,锂金属负极在高电压和高能量密度的氢气电池应用中具有巨大潜力。
该论文首次报道了一种可充电锂金属-氢气(Li-H)电池,该电池利用了最轻的两种元素Li和H。Li-H电池通过正极的反应H2/H+和负极的Li/Li+沉积溶解反应实现稳定运行。H2正极的优异特性使该电池展现出极具吸引力的电化学性能,包括高达2825 Wh kg-1的理论比能量、3 V的放电电压、99.7%的循环能量效率、5-20 mAh cm-2的可逆面容量、-20-80 ℃的宽工作温区及活性材料的高利用率。此外,作者进一步构建了一种无负极Li-H电池,在首次充电时从低成本的锂盐中沉积锂金属生成负极,进一步提升了电池的实际能量密度和经济适用性。该工作为基于氢气正极设计高性能储能电池提供了一种新途径。
Paper in English:
The global clean energy transition and carbon neutrality call for developing high-performance batteries. Here we report a rechargeable lithium metal - catalytic hydrogen gas (Li−H) battery utilizing two of the lightest elements, Li and H. The Li−H battery operates through redox of H2/H+ on the cathode and Li/Li+ on the anode. The universal properties of the H2 cathode enable the battery to demonstrate attractive electrochemical performance, including high theoretical specific energy up to 2825 Wh kg−1, discharge voltage of 3 V, round-trip efficiency of 99.7 %, reversible areal capacity of 5–20 mAh cm−2, all-climate characteristics with a wide operational temperature range of −20–80 °C, and high utilization of active materials. A rechargeable anode-free Li−H battery is further constructed by plating Li metal from cost-effective lithium salts under a low catalyst loading of <0.1 mg cm−2. This work presents a route to design batteries based on catalytic hydrogen gas cathode for high-performance energy storage applications.
News in Chinese:
近日,中国科学技术大学化学与材料科学学院陈维教授课题组在国际期刊《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed)发表了题为“Rechargeable lithium-hydrogen gas batteries”的研究文章,首次报道了氢气电极作为正极的电池化学新体系,为基于氢气正极设计高性能电池提供了一种新途径。
氢气(H2)作为最具前景且经济高效的可再生资源之一,凭借其合适的氧化还原电位(0 V vs. SHE)、低过电位(约0 V)以及长期稳定性,可在与高活性电催化剂(如Pt/C)结合时,成为一种极具吸引力的电池电极材料。自20世纪60年代以来,可充电的镍-氢气(Ni-H)电池化学因其高稳定性、可靠性和耐久性,已被NASA成功应用于航空航天领域超过30年。近年来,中国科学技术大学陈维教授课题组聚焦于氢气电池,创制了不同类型的氢气电池体系(Adv. Mater. 2024, 2412108; Chem. Rev. 2022, 122, 16610-16751),包括先进的镍-氢气电池(Adv. Mater. 2023, 2300502)、卤素-氢气电池(JACS 2023, 145, 25422-25430)、质子-氢气电池(JACS 2021, 143, 20302-20308)以及碳-氢气电池(Nat. Commun. 2022, 13, 2805)等,以其卓越的循环稳定性重新受到关注,并在大规模储能中展现出巨大潜力。这些体系均将氢气电极用作负极。然而,基于氢气负极的电池在0.8-1.4 V的有限工作电压下运行,能量密度相对较低。因此,作者提出,氢气的优异氧化还原特性不仅使其可作为负极,还可作为极具潜力的正极,与低电位负极配对。基于氢气正极的电池在与碱金属负极结合时,可展现出更高的能量密度和工作电压。其中,锂金属负极在高电压和高能量密度的氢气电池应用中具有巨大潜力。
该论文首次报道了一种可充电锂金属-氢气(Li-H)电池,该电池利用了最轻的两种元素Li和H。Li-H电池通过正极的反应H2/H+和负极的Li/Li+沉积溶解反应实现稳定运行。H2正极的优异特性使该电池展现出极具吸引力的电化学性能,包括高达2825 Wh kg-1的理论比能量、3 V的放电电压、99.7%的循环能量效率、5-20 mAh cm-2的可逆面容量、-20-80 ℃的宽工作温区及活性材料的高利用率。此外,作者进一步构建了一种无负极Li-H电池,在首次充电时从低成本的锂盐中沉积锂金属生成负极,进一步提升了电池的实际能量密度和经济适用性。该工作为基于氢气正极设计高性能储能电池提供了一种新途径。