锌离子微电池（MB）因其简单的制造工艺、低材料成本和高安全性而成为微电子设备供能的理想选择，然而大多数Zn离子微电池由于电极与电解质之间接触不良，面临较低的面容量和较差的循环性能等重大挑战。
2024年11月19日，苏州大学李亮教授、倪江锋教授团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Harnessing In Situ Iodine Ionic Liquids for High Areal Capacity and Long Cycle Life Zn//I2 Solid Microbatteries”的研究论文，团队成员朱俊冰为论文第一作者，倪江锋教授、李亮教授为论文共同通讯作者。
该研究通过利用原位生成的碘离子液体设计了一种液-固电极-电解质接触机制，从而构建了具有前所未有储能能力的Zn//I₂固态微电池（MB），即使在低至−20 °C的温度下也能保持优异性能。因此，Zn//I₂微电池在室温下表现出超高的面容量（7.2 mAh cm⁻²）、能量密度（8.3 mWh cm⁻²），并在室温下循环超过900次，库仑效率高达99.8%。即使在−20 °C低温环境下，MB仍能提供3.9 mAh cm⁻²的容量和4.1 mWh cm⁻²的能量。通过原位光谱分析和理论计算，研究了离子液体电极在电化学循环过程中的演变。此外，这种微电池成功集成到柔性蓝牙传感器模块中，为微尺度电子设备供能的未来开辟了光明前景。
DOI: 10.1002/adfm.202416799
研究人员通过利用原位生成的碘离子液体设计了一种液-固电极-电解质接触机制，从而构建了具有前所未有储能能力的Zn//I₂固态微电池，即使在低至−20 °C的温度下也能保持优异性能。正极由碳纤维和石墨烯组成，负极由锌粉和石墨烯打印而成，电解质为ZnCl₂和ZnI₂的凝胶。最重要的是，在凝胶电解质中引入了C₈H₁₅N₂Cl咪唑盐以实现原位碘离子液体的利用。C₈H₁₅N₂Cl在凝胶电解质中可溶解并解离，释放出C₈H₁₅N₂⁺和Cl⁻离子。在充电过程中，由于C₈H₁₅N₂⁺与聚碘离子的结合力较强，可快速高效捕获聚碘离子生成C₈H₁₅N₂⁺─I₃⁻复合物。此外，由于I₃⁻体积较大且极性较弱，使得水难以溶解C₈H₁₅N₂⁺─I₃⁻复合物。因此，这种不混溶的碘离子液体C₈H₁₅N₂⁺─I₃⁻将被吸附并锚定在电极表面。这样的独特设计同时缓解了活性材料负载量低和界面接触不良的问题。因此，Zn//I₂微电池在室温下表现出超高的面容量（7.2 mAh cm⁻²）、能量密度（8.3 mWh cm⁻²），并可在室温下稳定循环超过900次，库仑效率（CE）高达99.8%。即使在−20 °C的低温环境下，电池仍能提供3.9 mAh cm⁻²的容量和4.1 mWh cm⁻²的能量。通过原位光谱分析和理论计算，揭示了咪唑盐离子液体在电化学循环过程中的作用机制。此外，这种微电池已成功集成到柔性蓝牙传感器模块中，展现了锌离子微电池为微电子设备供能的光明前景。
总之，该研究通过利用原位生成的碘离子液体，设计了一种液-固电极-电解质接触机制，从而构建了具有前所未有储能能力的Zn//I₂固态微电池（MBs），即使在低至−20 °C的温度下也能表现出优异性能。组装的Zn//I₂微电池展现了超高的能量密度（8.3 mWh cm⁻²）以及超过900次循环的稳定性能，显著优于当前多数锌离子微电池。即使在−20 °C的低温环境下，该电池仍能提供3.9 mAh cm⁻²的容量和4.1 mWh cm⁻²的能量。通过原位光谱分析和理论计算，揭示了咪唑盐离子液体在电化学循环过程中的作用机制。作为应用示例，Zn//I₂微电池成功集成到配备传感器的蓝牙模块中，实现了通过智能手机实时监测环境湿度和温度。原位生成离子液体电极的设计在多种微电池中具有广泛应用潜力，为未来自供能微电子设备的发展开辟了广阔前景。
■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
