实现高碘负载阴极与高锌阳极深度放电（DOD）是充分释放高能量密度Zn-I2电池潜能的关键，然而这种组合加剧了多碘化物中间体的有害穿梭效应，严重损害了电池的可逆性与稳定性。
2024年11月16日，中国科学院上海硅酸盐研究所李恒副研究员/朱英杰研究员、北京林业大学马明国教授团队合作在Advanced Energy Materials期刊发表题为“A MXene Modulator Enabled High‐Loading Iodine Composite Cathode for Stable and High‐Energy‐Density Zn‐I2 Battery”的研究论文，中科院上海硅酸盐所Li Dandan为论文第一作者，朱英杰研究员、伦敦大学学院张伟、马明国教授、李恒副研究员为论文共同通讯作者。
该研究报道了一种通过多功能Ti3C2Tx MXene调制剂实现了先进的高负载碘阴极（记作MX-AB@I），其在Zn-I2电池中展现出高稳定性和高能量密度。通过综合实验与理论分析，揭示了MXene调制剂有效抑制多碘化物穿梭，提升碘转化动力学，并显著改善锌阳极可逆性的内在调制机理。在MXene调制剂的辅助下，MX-AB@I复合阴极实现了23 mg cm−2的高碘质量负载，并实现了4.0 mAh cm−2的实际高面容量。当与薄型锌阳极（10 μm）配对时，该配置实现了78.7%的高Zn DOD和171.3 Wh kg−1的高能量密度，超越了文献中报道的大多数Zn-I2电池系统。该研究提出了一种有效的方法，利用MXene调制剂来调节关键的电化学反应过程，设计了用于Zn-I2电池的高负载碘阴极。
DOI：10.1002/aenm.202404426
MXenes是一类新型的二维材料，因其高导电性、开放式层状结构、丰富的活性金属原子和表面官能团，在电极设计上展现出独特优势。尽管已有研究指出多层MXenes作为碘宿主用于Zn-I2电池的优势，包括提升导电性和对碘物质的有效化学吸附，但作为主体功能的非活性MXene用量相对较高（≈70 wt%）。此外，还迫切需要优化阴极的碘负载和Zn阳极的DOD，以进一步提高Zn-I2全电池的能量密度。与以往使用多层MXene作为碘阴极主体材料的研究不同，该研究利用剥离的少层MXene纳米片的高导电性和强碘化学吸附特性作为自支撑复合碘阴极电化学反应的多功能调制剂。通过使用少量的MXene调制剂（≈4 wt %，1 mg cm−2/1.5 mg cm−2），有效地调节了高负载（15.33 mg cm−2/23 mg cm−2）碘阴极（记为MX-AB@I）的反应动力学，实现了稳定的高能量密度Zn-I2全电池。通过原位和非原位实验技术与密度泛函理论DFT计算相结合的综合方法，系统研究了MXene调制剂在低N/P比Zn-I2全电池中控制多碘化物扩散行为、增强碘转化动力学和提高Zn阳极可逆性方面的作用。i）Ti3C2TxMXene调制剂内的Ti金属中心作为活性位点，与多碘离子形成强烈的化学吸附，有效地将多碘离子锚定在阴极上，抑制其向阳极穿梭。ii）MXene调制剂的导电性和催化性能降低了I2/I−转化的过电位和活化能垒，显著加快了反应动力学。iii）MXene调制剂的强化学吸附和促进碘转化动力学进一步减轻了多碘化物对锌薄片阳极的腐蚀，从而提高了锌阳极的可逆性，实现了低N/P比稳定的Zn-I2全电池。在MXene调制剂的辅助下，MX-AB@I复合阴极实现了高达23 mg cm−2的碘活性物质负载量和显著的4.0 mAh cm−2面容量，大幅超越以往的负载水平（如<5 mg cm−2）及实际水系锌电池推荐的标准值（3 mAh cm−2）。当与薄锌阳极（10μm）集成时，在0.1 A g⁻¹（约0.5 C）的电流密度下，低N/P比的Zn-I₂全电池经过200次循环后，其容量保持率达到94.4%。同时，低N/P比的Zn-I₂全电池展现了高达78.7%的Zn DOD和171.3 Wh kg⁻¹的高能量密度，远超迄今报道的大多数Zn-I₂系统。
总之，该研究开发了一种基于多功能Ti3C2Tx MXene调制剂设计的高碘负载复合阴极（MXAB@I），用于稳定和高能量密度的水系Zn-I2电池。MXAB@I复合阴极展现出高达23 mg cm−2的碘负载量，并在0.1 A g−1（约0.5 C）电流密度下经过200次循环后，实现了4.0 mAh cm−2的高面容量，容量保持率达94.4%。当与薄片Zn阳极（10 μm）配对时，N/P比为1.27的Zn-I2全电池表现出78.7%的Zn DOD和171.3 Wh kg−1的能量密度，优于多数先前报道的数据。系统的原位和非原位实验表征以及DFT计算揭示了MXene调制剂在抑制多碘离子穿梭效应、加速碘转化反应动力学和增强Zn金属阳极可逆性方面的调控机制。具体来说，1）MXene调制剂内的Ti金属中心充当活性位点，与多碘离子形成强烈的化学吸附，从而将多碘离子锚定在阴极上，抑制其向阳极穿梭。2）MXene调制剂的高电导率和催化活性降低了I2/I−转化的过电位和活化能势垒，显著提高了碘转化反应动力学。3）MXene调制剂的强化学吸附和改善的碘转化动力学也减轻了多碘化物对薄片锌阳极的腐蚀，从而增强了其可逆性，使低N/P比的Zn-I2全电池稳定运行。该研究提出了一种高性能水系Zn-I2电池的新设计概念，该电池在高负载碘阴极中融入了MXene调制剂。所提出的MXene调制剂的调节机制有望丰富对其他稳定和高负载阴极设计的理解。
■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
