東華大學(xué)《Adv Mater》：高可逆性多電子轉(zhuǎn)移鋅碘電池重要突破！

水系鋅碘（Zn–I2）電池因其高安全性、資源豐富和成本低廉而被認(rèn)為是極具潛力的儲能體系。得益于碘元素多變的氧化態(tài)，該體系有望實(shí)現(xiàn)高容量儲能。然而，傳統(tǒng)Zn–I2電池主要依賴 I–/I0 的兩電子轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致容量受限、反應(yīng)動力學(xué)緩慢，并伴隨明顯的穿梭效應(yīng)。近年來，通過引入鹵素離子（如 Cl–、Br–）調(diào)控碘價(jià)態(tài)，可形成鹵素間化合物并實(shí)現(xiàn)多電子反應(yīng)，但多電子體系仍受高價(jià)碘水解、界面不穩(wěn)定及可逆性差等問題制約。因此，構(gòu)建能夠穩(wěn)定高價(jià)碘中間體并加速電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的體系，是實(shí)現(xiàn)高效可逆多電子Zn–I2電池的關(guān)鍵途徑。

https://doi.org/10.1002/adma.202513389

近期，東華大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院武培怡/焦玉聰團(tuán)隊(duì)提出了一種雙電極協(xié)同電解質(zhì)（DESA-E），構(gòu)建了高度可逆的多電子Zn–I2電池（方案1）。

方案1. Zn–I2電池中不同電子轉(zhuǎn)換反應(yīng)示意圖

研究團(tuán)隊(duì)在2MZnSO4（BE）中引入 [PeMIM]+Br–，實(shí)現(xiàn)鹵素間協(xié)同調(diào)控，促進(jìn)I–/I0/I+多電子轉(zhuǎn)化的同時(shí)顯著提升Br–/Br0反應(yīng)利用率（8.9% →31.2%）。[PeMIM]+ 構(gòu)建疏水微環(huán)境以穩(wěn)定高價(jià)碘物種，同時(shí)其疏水烷基鏈調(diào)控鋅沉積，實(shí)現(xiàn)正負(fù)極的高度可逆反應(yīng)。

圖1. 不同烷基鏈長咪唑溴鹽的篩選

為篩選最優(yōu)咪唑鎓鹽添加劑，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)比較了不同烷基鏈長度的 [EtMIM]+Br– 至 [HeMIM]+Br–。理論計(jì)算表明，[PeMIM]+Br– 體系具有最高 I? 水解能壘與最強(qiáng) IBr2– 結(jié)合能力，表現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性。最終確定0.5M[PeMIM]+Br– 為最優(yōu)體系（DESA-E）（圖1）。

圖2. 雙鹵素電池的電化學(xué)機(jī)理

不同電壓窗口下依次出現(xiàn)的三對可逆氧化還原峰，揭示了由I–/I0向I0/I+及Br–/Br0的多電子轉(zhuǎn)化過程。雙鹵素協(xié)同作用顯著提升Br–/Br0利用率（8.9% → 31.2%），并經(jīng)XPS、原位拉曼及理論計(jì)算得到驗(yàn)證（圖2）。

圖3 不同電解質(zhì)體系下陰極的氧化還原動力學(xué)

綜合電化學(xué)與原位光譜結(jié)果表明，DESA-E 體系顯著提升了碘的氧化還原動力學(xué)與多電子反應(yīng)可逆性，抑制I3–積累并降低界面極化，實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的多電子轉(zhuǎn)移過程。（圖3）。

圖4 BE和DESA-E對Zn/Zn和Zn/Cu電池電化學(xué)性能的影響

DESA-E 體系顯著優(yōu)化鋅沉積/剝離性能，對稱電池在1mAcm–2下穩(wěn)定循環(huán)3000小時(shí)，不對稱電池可運(yùn)行900 次，遠(yuǎn)超傳統(tǒng) BE體系。其[PeMIM]+吸附鋅表面，降低水分子吸附并形成靜電屏蔽，引導(dǎo)Zn2+均勻沉積，實(shí)現(xiàn)界面穩(wěn)定性與動力學(xué)協(xié)同提升（圖4）。

圖5 全電池性能評估

與文獻(xiàn)中報(bào)道的Zn–I2電池體系相比，DESA-E 體系顯著抑制多碘離子穿梭，實(shí)現(xiàn)快速多電子轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)出更優(yōu)的倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性及庫侖效率。在高溫及軟包條件下仍能穩(wěn)定運(yùn)行，充分體現(xiàn)多電子轉(zhuǎn)移體系的實(shí)際應(yīng)用潛力（圖5）。

東華大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生陳璇為本論文的第一作者，馮豆豆博士生為共同第一作者，通訊作者為焦玉聰研究員和武培怡教授。相關(guān)成果近期以“雙電極協(xié)同電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)水系鋅碘電池的高可逆多電子氧化還原反應(yīng)（Dual-Electrode Synergistic Electrolyte Enabling Highly Reversible Multi-Electron Redox in Aqueous Zinc-Iodine batteries）”為題發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Adv. Mater.）上。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金以及上海市自然科學(xué)基金的等資助。

本文來自：東華大學(xué)。

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