pH调控新机制！高价Al³⁺替代强酸，水系质子电池循环寿命提升209%，佳木斯大学CEJ

本文针对水系氢质子电池（AHPBs）中低pH提升容量但牺牲循环寿命的矛盾，系统研究了pH对电池性能的热力学与动力学双重调控机制。背景上，AHPBs依靠H⁺的Grotthuss跳跃机制实现高倍率，但强酸腐蚀锌负极导致循环衰减。研究目的是揭示pH影响机制并探索无酸替代策略。实验通过调控pH从5.2降至2.2，比容量提升117%至635.17 mAh g⁻¹，电压差降低60%，效率提升至85.94%，但循环寿命从1500圈锐减至220圈。机制上，低pH提供高H⁺浓度和更多SO₄²⁻，优化氢键网络，弱氢键（SO₄²⁻-H⁺）比例从7.04%升至11.38%，DFT证实其结合能低于H₂O-H⁺一半，加速质子传输。为解决腐蚀问题，提出高价阳离子（Al³⁺）替代强酸，Al³⁺-3H₂O解离能仅5.22 eV，可缓释H⁺。实验验证Al₂(SO₄)₃调至pH 2.2后容量与H₂SO₄相当，循环寿命从220圈提升至680圈，提升209%。结论表明，Al³⁺作为质子缓冲剂有效平衡高容量与长寿命，为水系质子电池电解液设计提供新思路。