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水系锌碘(Zn─I2)电池由于其固有的安全性、高理论容量、可持续性和成本效益，是一种很有前途的储能系统。然而，聚碘的穿梭效应严重影响活性碘的稳定负载，甚至加速了Zn负极的腐蚀，从而阻碍了其进一步发展。在此，四川大学何亮教授&澳大利亚新南威尔士大学赵川教授团队提出了一种具有强吸附性的独特三甲基磺铵阳离子(TMS)来稳定碘阴极和Zn阳极。得益于TMS与聚碘化物之间的稳健相互作用，电解质可以有效地固定油状沉淀物形式的大容量碘，从而避免聚碘化物的穿梭效应和Zn腐蚀。此外，TMS可以优先吸附在各个Zn面上，从而产生静电屏蔽效应以抑制Zn枝晶生长。因此，锌阳极可以在5 mA cm-2/5 mAh cm-2下稳定循环超过3400 h，并且Zn─I2电池可以实现2.71 mAh cm-2的大面积容量和超过6400次循环的长寿命稳定性。此外，阳离子吸附工程实际应用于软包电池，在790次循环中实现了卓越的快速充电稳定性。这种具有双重稳定性的电解质改性预计将作为一种经济高效、简单且安全的策略应用于其他金属碘电池。图1
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Zn─I2电池中独特TMS的示意图，具有很强的吸附性，可稳定碘阴极和锌阳极。
图2
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a)I3--阳离子基团的结合能和b)对应的不同电子密度。c)在1 mA cm-2条件下，不同浓度TMSI对Zn─I2电池容量的影响。d)含/不含TMSI的聚碘化物溶液的紫外-可见光谱(插图是相应的照片)。e)由有/无TMSI的H型电池证明的聚碘化物穿梭效应的可视化实验结果。
图3
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a)基于TMSI的Zn─I2电池的充放电过程可视化。b)基于TMSI的Zn─I2电池在充放电过程中的原位拉曼光谱和相应的GCD曲线。c)碳纤维布在初始状态(1.75 和 0 V)下的XPS光谱。d)NaI或TMSI电解质中不同充电周期后开孔电池的光学图像。e)NaI电解液和f)TMSI电解液在不同充电周期后对应的紫外-可见光谱。
图4
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锌箔在a)含I3-的NaI和b)含I3-的TMSI电解质中浸泡48小时后的SEM图像。Zn/Zn电池的恒电流电压分布图：c)使用不同的电解质(1 mM I3-，1 mA cm-2/1 mAh cm-2和d)使用不同的电解质，5 mA cm-2/5 mAh cm-2。e)ZnSO4, f)NaI和g)TMSI电解质在1 mA cm-2和1 mAh cm-2下镀锌的SEM图像。h)锌原子的吸收能和锌不同晶面上的TMS。i)在-150 mV恒定电位下，不同电解质下锌电池的电流-时间曲线。
图5
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a)基于NaI和基于TMSI的Zn─I2电池的GCD曲线。b)基于TMSI的Zn─I2电池的倍率性能。c)基于NaI和d)基于TMSI的Zn─I2电池的自放电电压-时间曲线，容量为6 mAh cm-2。e)基于TMSI的Zn─I2电池在10 mA cm-2下的循环性能。f)基于TMSI的Zn─I2电池和其他报道的Zn─I2电池在面放电容量和库仑效率方面的比较。g)基于TMSI电解质的软包电池在10 mA cm-2下的循环性能。h)三个串联起来为湿度计供电的软包电池的数码照片。
Zn─I2电池通过引入高可溶性TMSI作为活性电解质，实现了高容量、快速反应动力学和长寿命的电池。具体来说，得益于TMS+和聚碘化物之间的强相互作用以及碘的大量供应，实现了固定化聚碘的高负荷，并抑制了聚碘化物对锌的腐蚀。同时，TMS+优先吸附在锌表面，形成静电屏蔽层，抑制锌枝晶的生长。结果表明，Zn||Zn对称电池可以在5 mA cm-2/5 mAh cm-2的恶劣条件下稳定循环超过3400 h，并且Zn─I2电池具有优异的CE(1 mA cm-2时95.0%，10 mA cm-2时99.6%)，高比容量(1 mA cm-2时2.71 mAh cm-2)和超高的循环稳定性(10 mA cm-2时超过6000次循环)。此外，对于组装好的软包电池，实现了超过790次循环的稳定循环，显示出巨大的实际应用潜力。拟议的高性价比TMSI电解质将为开发实用的高性能Zn─I2电池和其他金属碘电池提供一种简单、安全和有效的策略。
Cation Adsorption Engineering Enables Dual Stabilizations for Fast-Charging Zn─I2 Batteries
Xiaoqiao Liao，Zhe Zhu，Yaqi Liao，Kai Fu，Yixue Duan，Linfeng Lv，Leixin Wu，Wenwu Wang，Xin He，Kai Yang，Peng Tian，Wenlong Cai，Chuan Zhao*，Hui Tang，Liang He*https://doi.org/10.1002/aenm.202402306
