科学材料站
文 章 信 息
碘/氯多电子转化实现高能量密度锌-碘电池
第一作者：赵佳晋
通讯作者：李媛*，张璐*
单位：燕山大学
科学材料站
研 究 背 景
水性锌基电池因其高安全性、低成本、可持续性以及锌负极高比容量（820 mAh g−1）优势，在大规模储能领域具有巨大应用潜力。在众多水系锌基电池正极材料中，依靠转化反应实现电荷存储的碘（I2）正极由于常温下的固体性质、丰富储量以及在水系电解液中适宜的氧化还原电位而备受关注和广泛研究。然而，传统碘正极基于I0/I−单电子氧化还原反应，电位较低（0.54 V vs. SHE）且理论比容量仅为211 mAh g−1，严重限制了电池的能量密度。
科学材料站
文 章 简 介
近日，来自燕山大学的张璐副教授与李媛教授，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Iodine/Chlorine Multi-Electron Conversion Realizes High Energy Density Zinc-Iodine Batteries”的研究文章。该文章提出了EG共溶剂调控电解液溶剂化结构的策略,不仅实现了I2正极的I+/I0/I–和Cl0/Cl–多电子转移过程，而且显著提高了电池的库伦效率。研究表明，EG作为共溶剂引入水系深共晶电解液（30Z15C(1H1E)）中后参与到Zn2+溶剂化结构，使Zn2+溶剂化结构由富水团簇转变为贫水团簇，使得H2O活性大大降低，同时电解液中大量自由Cl–能与I+形成卤素间化合物，有效的抑制了I+离子的水解，这使得电池放电比容量高达987 mAh g−1I2，相比不含EG电解质提高了约300 mAh g−1，并且展现出1278 Wh kg−1I2的能量密度。同时其独特的电解液结构还能够抑制Zn负极析氢反应等副反应发生，提高了电池循环稳定性。基于此软包电池展现了3.72 mAh cm–2的比容量和4.52 mWh cm–2的能量密度，并表现出优异循环稳定性。
科学材料站
本 文 要 点
要点一：水系深共晶电解液设计
为了实现高能量密度电池体系，电解液尤为关键。本文设计的30Z15C(1H1E)电解液体系中，氯化胆碱（ChCl）作为氢键供体，可与作为氢键受体的ZnCl2形成深共晶溶剂增加电解液中盐的溶解度，从而降低水的活度；同时电解液中大量自由Cl–能与I+形成卤素间化合物，稳定I+的同时降低Cl–的氧化能垒；EG中的极性基团与Zn2+相互作用，促进溶剂化Zn2+结构的重新配置，进一步降低Zn2+周围溶剂化结构中的水活度，有效的抑制了I+离子的水解。
图1 锌碘电池在30Z15C(1H1E)和30Z15C(1H0E)电解液中的电化学性能。
要点二：Zn2+溶剂化结构的调控
EG作为共溶剂引入水系深共晶电解液（30Z15C(1H1E)）中后参与到Zn2+溶剂化结构，使Zn2+溶剂化结构由富水团簇转变为贫水团簇，即[ZnCl2(H2O)2]0和[ZnCl(H2O)3]–等转化为[ZnCl4]2–和[ZnCl3(H2O)]–等，使得H2O活性大大降低，同时电解液中大量自由Cl–能与I+形成卤素间化合物，有效的抑制了I+离子的水解。Raman光谱和MD模拟分析了电解液中的离子种类与含量，研究发现EG作为共溶剂添加到电解液中后，改变了Zn2+溶剂化结构和H2O的氢键网络，使Zn2+从富水团簇向贫水团簇转变。1H NMR和FTIR光谱证明了EG对Zn2+溶剂化结构中水活度的抑制。
图2 30Z15C(1H1E)和30Z15C(1H0E)电解液的光谱分析和分子动力学模拟。
要点三：碘正极的工作机制
采用原位和非原位表征对碘正极的工作机理进行了分析。XPS结果显示随着充电程度的加深，I–逐渐向I0转变并最终转化为I+，而在进一步充电至75%SOC状态时，开始出现高价态的Cl0。原位Raman显示了充放电过程中中间产物IClx的可逆转变过程，进一步由UV-Vis和DFT计算表明该中间产物为ICl3。
图3 锌碘电池在30Z15C(1H1E)电解液中工作机理说明。
要点四：水系深共晶电解液提升锌碘电池电化学性能
ZnllI2电池在不同扫速的CV曲线表明I0/I–，I+/I0和Cl0/Cl–氧化还原反应动力学均由离子扩散控制。GITT和EIS测试结果显示离子扩散系数随充电不断减小，DFT计算表明这是由于ZnI2→I2→ICl→ICl3–转化过程中键的断裂和生成能量消耗导致的。此外，该ZnllI2电池具有较好的倍率性能和循环性能。组装的软包电池展现了3.72 mAh cm–2的比容量和4.52 mWh cm–2的能量密度。
图4 锌碘电池电化学储能性能
科学材料站
文 章 链 接
J. Zhao, Y. Chen, M. Zhang, Z. An, B. Nian, W. Wang, H. Wu, S. Han, Y. Li, L. Zhang, Iodine/Chlorine Multi-Electron Conversion Realizes High Energy Density Zinc-Iodine Batteries. Adv. Sci. 2024, 2410988.
https://doi.org/10.1002/advs.202410988
科学材料站
通 讯 作 者 简 介
张璐：博士生导师，入选国家“博士后创新人才支持计划”、“河北省优青”、“河北省高等学校青年拔尖人才”。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科学基金项目、内蒙古自治区重大专项项目、河北省引进留学人员资助项目等10余项；国家自然科学基金重点项目主要参与人、河北省自然科学基金创新研究群体项目研究骨干。在国内外材料及化工领域权威期刊上发表SCI收录高水平论文110余篇，授权中国发明专利24项，获2019年获河北省自然科学奖二等奖，2023年稀土科学技术奖一等奖；参与出版英文专著一部，担任Rare Earths、Rare metals青年编委，Polymer杂志客座编辑，国际知名SCI学术期刊审稿人。
添加官方微信 进群交流
SCI二氧化碳互助群
SCI催化材料交流群
SCI钠离子电池交流群
SCI离子交换膜经验交流群
SCI燃料电池交流群
SCI超级电容器交流群
SCI水系锌电池交流群
SCI水电解互助群
SCI气体扩散层经验交流群
备注【姓名-机构-研究方向】
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点分享
点赞支持
点在看
