研究背景
研究内容
研究亮点
⭐ 利用碘化铯(CsI)参与生成的钙钛矿结构，成功避免了水分子在传统Te4+/Te四电子氧化还原中的不利影响，解耦了Te电极对于电解液用量的依赖，在低浓度硫酸锌电解液(2M ZnSO4)中实现了Zn-Te电池的全新电极反应。
⭐通过实验以及理论模拟等手段阐明了碘离子与铯离子在稳定钙钛矿物相和优化正负极界面的关键作用，同时优化后的电极反应拥有快速的反应动力学以及良好的产物稳定性。
⭐成功构建了Cs2TeI6/Te/ZnTe六电子氧化还原反应，其高度可逆的四电子过程中优越的动力学与稳定性可以实现低极化(0.05V)、长循环(1500次循环后80%的容量保持率)的Zn-Te电池。
图文导读
图1. 理论计算以及实验证明不同化学环境下Te4+的解离动力学/热力学稳定的巨大差异
▲为评估Te在不同化学环境中的氧化还原行为，我们利用DFT模拟了TeX4中Te-X键(X=Cl, Br, I)与TeO2中Te-O键的解离能。结果显示Te-O键的断裂需要3.792 eV，明显高于Te-Cl键、Te-Br键和Te-I键断裂所需的1.113、0.895和0.691 eV。然而，这些含Te4+卤化物在硫酸锌电解液中会迅速水解。TeX4在水溶液中的不稳定性严重阻碍了其在水系Zn-Te电池中的应用。实现低浓度水系电解液中Te的多电子反应，其关键在于必须增强碲-卤键在水溶液中的稳定性，才能得到理想的高比能Zn-Te电池。
▲本文中比较了不同阴(Cl-，Br-，I-)阳(Li+，K+，Cs+)离子在参与电极反应时的区别，发现Cs+和I-分别在形成稳定钙钛矿结构时的独特性，通过理论计算以及实验解释了充电产物在低浓度电解液中稳定的原因，验证了其在电极上可逆的氧化还原。
▲基于Cs2TeI6/Te氧化还原对的Zn-Te电池拥有快速的电极反应动力学。同时电解液中的大阳离子(Cs+)吸附层可以帮助锌金属负极更长时间的沉积剥离，避免出现枝晶问题。
▲基于Cs2TeI6/Te氧化还原对的Zn-Te电池表现出更快的反应动力学(从硫酸锌电解液中的400mV减小到50mV)，以及更好的循环稳定性(1500次循环后容量保持率为80%)。同样在Cs2TeI6/Te/ZnTe六电子过程中CsI参与的电极反应也展现出了巨大的优势。
研究总结
文献信息
J. Li, C. Lei, P. Jiang, C. Xu, T. Liu and X. Liang, Energy Environ. Sci., 2024, DOI: 10.1039/D4EE02916J.
https://doi.org/10.1039/D4EE02916J
团队介绍
梁宵教授湖南大学化学与化工学院教授，博士生导师，岳麓学者，国家海外高层次人才青年项目获得者。2012年博士毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，2013 年在加拿大滑铁卢大学进行博士后研究，2017年10月入职湖南大学。在高比能二次电池领域以第一作者或通讯作者发表论文60余篇，包括Nature Energy(2篇)，Chem. Soc. Rev.，Joule，J. Am. Chem. Soc.，Nat. Commun.(4篇)，Angew. Chem. Int. Ed.(6篇)，Adv. Mater. (2篇)，Energy Environ. Sci.等国际顶级期刊，论文总引用14000余次。本课题组研究兴趣为新型电化学储能电池体系、全固态(聚合物、有机-无机杂化)金属锂电池，致力于认知微观结构与宏观电化学性能关联性，进而从原子、分子水平设计构筑功能型电极材料、界面与电解质，并实现高效储能电池系统的长续航。
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