固体所构筑高电位高利用率水系Zn-I2电池

近日，中国科学院合肥物质院固体所计算物理与量子材料研究部利用一种含有胺基和Cl离子的电解液添加剂三甲胺盐酸盐(TAH)，构筑了高利用率高电位的水系Zn-I2电池，为该电池的开发提供了一种新方案。相关成果以“Bidentate Coordination Structure Facilitates High-Voltage and High-Utilization Aqueous Zn-I2 Batteries”为题发表在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition (Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI:10.1002/anie.202404784) 上。

水系锌碘电池是一种有前景的储能装置，但是传统基于I2/I-的两电子水系Zn-I2电池电压仅为1.3 V，导致其能量密度较低，难以达到实际应用需求。近年来，由于碘丰富的氧化还原反应，激活高价碘反应能实现高电位水系Zn-I2电池的工作被陆续研究报道。该类工作主要通过电解液设计，锚定I+，促进I-/I2/I+的四电子反应，进而实现水系Zn-I2电池的高电位高理论比容量。但是，这种设计往往需要较高的游离卤素离子浓度，才能在水系电解液中实现稳定的I+。然而，由于点蚀作用，大量游离的卤素离子会对锌负极表面产生严重损害，腐蚀电池其余组件，影响全电池循环稳定性。因此，开发新型锚定I+的方案具有必要性。

鉴于此，李向阳副研究员与中国科学技术大学陈维教授和郑旭升研究员合作研究了一种同时含有胺基和Cl离子的电解液添加剂三甲胺盐酸盐(TAH)，构筑了高利用率高电位的水系Zn-I2电池。一方面，三甲胺(TA)分子可以吸附在Zn负极周围，降低Zn离子的脱溶剂化能垒，部分质子化的TA分子表现出屏蔽作用，从而协同实现水系Zn负极的高面积容量(57 mAh cm-2)。另一方面，在正极侧，表征与理论计算表明I+同时与胺基和Cl离子形成双齿配位结构，在低浓度下实现I-/I2/I+四电子转移高价反应。高电位水系Zn-I2电池在2 A g-1(以正极碘质量计算)时表现出近450 mAh g-1的比容量。此外，Zn-I2全电池(N/P比为2.5)可实现5000次稳定循环，容量保持率约为70%。该工作为高电位高利用率的水系Zn-I2电池的进一步开发提供了新方案。

上述研究工作得到了国家自然科学基金委、教育部中央高校基本科研业务费专项资金的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202404784

图. 利用多功能电解液添加剂三甲胺盐酸盐（TAH）构筑高电位水系Zn-I2电池机理示意图。