碘正极因其高能量密度和高安全性在水系电池中备受关注，然而碘的电导率极低，仅为1×10⁻⁷ S cm⁻¹，这通常导致比容量较低。
2024年11月20日，西安交通大学丁书江教授、肖春辉教授、赵洪洋副教授团队在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Polymeric Iodine Transport Layer Enabled High Areal Capacity Dual Plating Zinc-Iodine Battery”的研究论文，团队成员尹丹丹、李博阳为论文共同第一作者，赵洪洋副教授、肖春辉教授、丁书江教授为论文共同通讯作者。
该研究设计了一种PVA水凝胶层以提升锌-碘电池的面容量。与纯CNT薄膜相比，PVA水凝胶层修饰的CNT正极在双镀型电池中的面容量提高了两倍。这一显著的容量提升归因于PVA水凝胶层中快速的碘传输。此外，PVA链与多碘阴离子之间的强相互作用有效抑制了穿梭效应。PVA修饰的CNT正极在保持更高容量的同时，可稳定运行超过3000小时，循环寿命显著延长。通过原位拉曼光谱、原位光学显微观察以及DFT计算分析了PVA水凝胶中多碘阴离子的快速传输行为。研究发现，PVA链与碘之间的强结合力以及更低的碘解离能是减少穿梭效应并加速多碘阴离子传输的主要原因。因此，组装的PVA-I₂软包电池在双镀型电池和传统型电池中均表现出优异的性能。
DOI: 10.1002/anie.202418069
聚乙烯醇（PVA）是一种聚合物，可以直接与碘或多碘阴离子发生反应形成PVA-I复合物。在PVA-I复合物中，碘/多碘阴离子通过I₃⁻与PVA链上的羟基之间的电荷转移相结合。基于PVA与碘阴离子的这一独特络合作用，研究人员提出了一种基于PVA的聚合物碘传输层，用于正极中锚定多碘阴离子并促进多碘阴离子在正极内部的传输。沉积的碘将转化为具有高碘传输性能的导电PVA-I复合物，而非传统设计中的绝缘碘膜。因此，碘阴离子可以持续被氧化，从而产生大容量。此外，PVA与多碘阴离子之间的强相互作用有效抑制了多碘阴离子的穿梭效应，最终实现了高库仑效率（CE）。通过采用PVA凝胶层，锌-碘双镀型电池的面容量从1.64 mAh cm⁻²提升至3.76 mAh cm⁻²，循环400次后容量保持率高达96.7%。对于传统的锌-碘电池，覆盖PVA凝胶层的正极同样表现出更高的容量和更好的循环稳定性。
总之，该研究开发了一种新策略，通过聚合物碘传输层来促进碘迁移并抑制穿梭效应。研究表明，PVA水凝胶膜能够将固态碘转化为导电的聚合物碘复合物，这一过程已通过原位电化学拉曼测试和ToF-SIMS分析得到验证。此外，原位光学电化学表征显示PVA链与多碘阴离子之间的强相互作用，有效防止了穿梭效应。同时，DFT计算证实在PVA链上多碘阴离子中I₂物种的解离能显著降低，从而加速了碘的传输。总之，PVA修饰正极中这种独特的限制性碘传输机制有效将面容量提升至原来的两倍（3.76 mAh cm⁻²），并在400次循环后保持96.7%的高循环稳定性。对于传统的活性炭（AC）浸碘正极，PVA水凝胶膜使电池能够运行超过1000次循环，且容量保持在154 mAh g⁻¹。这种聚合物碘传输层不仅为提高锌-碘电池正极的容量和稳定性提供了有效方法，还强调了卤素迁移在其他卤素基电池中的重要性。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
