2024年9月13日，吉林大学9001cc.s金沙登录郑伟涛教授、张伟教授团队在Angew. Chem. Int. Ed.期刊发表题为“Ostwald-Ripening Induced Interfacial Protection Layer Boosts 1,000,000-Cycled Hydronium-Ion Battery”的研究论文。
该研究通过逆转电极活性材料损失和溶解等常见副反应，取得了显著成果：在氢离子电池中，通过在六氰高铁酸铜电极的电化学循环过程中应用奥氏熟化（OR）过程，使溶解的Cu和Fe离子通过结晶过程，最终在电极表面形成了由交联立方体构成的稳定界面层。通过OR诱导生长的电极颗粒，界面层暴露了低指数晶面（100）和（110），并具有空位有序的（100）超晶格，促进了离子迁移。该研究设计显著增强了电极–电解质界面稳定性，电极在循环一百万次后，容量保持率达到91.6%，而全电池在3000次循环后容量保持率为91.7%。
图1. CuHCF的结构表征。（a）奥斯特瓦尔德熟化（OR）过程的示意图；（b）传统电解质界面层（CEI）和人工保护层（APL）的示意图；（c）XRD图谱的Rietveld分析（插图为晶体结构）；（d）选区电子衍射（SAED）；（e）电子能量损失光谱（EELS）；（f）扫描电子显微镜（SEM）图像（插图为高分辨透射电子显微镜HRTEM图像）；（g）热重分析（TGA）（插图为EDS元素映射）；（h）Cu 2p和Fe 2p的X射线光电子能谱（XPS）
研究人员设计了一种能够实现一百万次循环、容量保持率为91.6%、循环寿命为319天的水系氢离子电池（HIBs）。至此，它已经克服了电化学储能（EES）中因不可避免的结构退化和损失所带来的挑战，达到了该领域的最高水平，并且性能显著优于已有报道的电化学双电层电容器（EDLCs）。此外，该设计还将全电池的循环寿命从750次循环后容量保持率33.4%提升至3000次循环后的91.7%。
图2. CuHCF的电化学性能。（a）扫描速率为5 mV/s的循环伏安（CV）曲线；（b）b值；（c）长期稳定性；（d）不同循环次数下Cu-0.5的SEM图像；（e）不同循环期间电解液中Cu和Fe含量的ICP测试；（f）全电池的稳定性；（g）全电池的示意图；（h）稳定性测试后活性炭（AC）的SEM图像和EDS元素映射。
该研究表明，奥氏熟化（OR）在HIBs中的作用机制主要体现在以下两个方面，一是在H₃O⁺逆插层和脱出过程中，CuHCF界面表面能降低，二是形成了有序空位超晶格结构。这一机制促进了电荷传输离子的快速插层和脱出。此外，构建的稳定界面克服了传统电解质界面层（CEI）和人工保护层（APL）的固有缺陷。在此基础上，该研究实现了一百万次循环、容量保持率为91.6%的卓越循环寿命，并将全电池的循环寿命从750次循环后33.4%的容量保持率提升至3000次循环后的91.7%。因此，这一设计为长寿命电池及其他具有良好有序结构的功能材料的开发开辟了新途径。
论文全文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202414420
