東華大學《Adv Mater》：高可逆性多電子轉移鋅碘電池重要突破！

水系鋅碘（Zn–I2）電池因其高安全性、資源豐富和成本低廉而被認為是極具潛力的儲能體系。得益于碘元素多變的氧化態，該體系有望實現高容量儲能。然而，傳統Zn–I2電池主要依賴 I–/I0 的兩電子轉化，導致容量受限、反應動力學緩慢，并伴隨明顯的穿梭效應。近年來，通過引入鹵素離子（如 Cl–、Br–）調控碘價態，可形成鹵素間化合物并實現多電子反應，但多電子體系仍受高價碘水解、界面不穩定及可逆性差等問題制約。因此，構建能夠穩定高價碘中間體并加速電化學反應動力學的體系，是實現高效可逆多電子Zn–I2電池的關鍵途徑。

https://doi.org/10.1002/adma.202513389

近期，東華大學化學與化工學院武培怡/焦玉聰團隊提出了一種雙電極協同電解質（DESA-E），構建了高度可逆的多電子Zn–I2電池（方案1）。

方案1. Zn–I2電池中不同電子轉換反應示意圖

研究團隊在2MZnSO4（BE）中引入 [PeMIM]+Br–，實現鹵素間協同調控，促進I–/I0/I+多電子轉化的同時顯著提升Br–/Br0反應利用率（8.9% →31.2%）。[PeMIM]+ 構建疏水微環境以穩定高價碘物種，同時其疏水烷基鏈調控鋅沉積，實現正負極的高度可逆反應。

圖1. 不同烷基鏈長咪唑溴鹽的篩選

為篩選最優咪唑鎓鹽添加劑，研究團隊系統比較了不同烷基鏈長度的 [EtMIM]+Br– 至 [HeMIM]+Br–。理論計算表明，[PeMIM]+Br– 體系具有最高 I? 水解能壘與最強 IBr2– 結合能力，表現出優異穩定性。最終確定0.5M[PeMIM]+Br– 為最優體系（DESA-E）（圖1）。

圖2. 雙鹵素電池的電化學機理

不同電壓窗口下依次出現的三對可逆氧化還原峰，揭示了由I–/I0向I0/I+及Br–/Br0的多電子轉化過程。雙鹵素協同作用顯著提升Br–/Br0利用率（8.9% → 31.2%），并經XPS、原位拉曼及理論計算得到驗證（圖2）。

圖3 不同電解質體系下陰極的氧化還原動力學

綜合電化學與原位光譜結果表明，DESA-E 體系顯著提升了碘的氧化還原動力學與多電子反應可逆性，抑制I3–積累并降低界面極化，實現快速穩定的多電子轉移過程。（圖3）。

圖4 BE和DESA-E對Zn/Zn和Zn/Cu電池電化學性能的影響

DESA-E 體系顯著優化鋅沉積/剝離性能，對稱電池在1mAcm–2下穩定循環3000小時，不對稱電池可運行900 次，遠超傳統 BE體系。其[PeMIM]+吸附鋅表面，降低水分子吸附并形成靜電屏蔽，引導Zn2+均勻沉積，實現界面穩定性與動力學協同提升（圖4）。

圖5 全電池性能評估

與文獻中報道的Zn–I2電池體系相比，DESA-E 體系顯著抑制多碘離子穿梭，實現快速多電子轉化，表現出更優的倍率性能、循環穩定性及庫侖效率。在高溫及軟包條件下仍能穩定運行，充分體現多電子轉移體系的實際應用潛力（圖5）。

東華大學化學與化工學院博士研究生陳璇為本論文的第一作者，馮豆豆博士生為共同第一作者，通訊作者為焦玉聰研究員和武培怡教授。相關成果近期以“雙電極協同電解質實現水系鋅碘電池的高可逆多電子氧化還原反應（Dual-Electrode Synergistic Electrolyte Enabling Highly Reversible Multi-Electron Redox in Aqueous Zinc-Iodine batteries）”為題發表在《先進材料》（Adv. Mater.）上。該工作得到了國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金以及上海市自然科學基金的等資助。

本文來自：東華大學。

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