Angew. Chem. :双配位结构实现四电子水系锌碘电池

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水系锌碘电池是一种有前途的储能装置,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,激活高价碘反应实现高电位水系Zn-I2电池的工作被陆续报道。该类工作主要通过电解液设计,锚定I+,实现I-/I2/I+的四电子反应,实现高电位高理论比容量的水系Zn-I2电池。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+离子。然而,大量游离的卤素离子,由于点蚀作用,会对锌负极表面产生严重损害,也会对电池其余组件产生腐蚀,进而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,中国科学技术大学陈维教授课题组与同步辐射国家实验室郑旭升研究员和中科院合肥固体研究所李向阳研究员合作在Angewandte Chemie上发文,报道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),实现了高利用率高电位的水系Zn-I2电池。一方面,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,从而协同实现高面积容量的水系Zn负极。基于此,锌负极可以实现57 mAh cm-2的高面容量。另一方面,在正极侧,表征与理论计算表明I+离子同时与胺基和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电池的开发提供了一种新的解决方案。



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图1. 多功能电解液添加剂TAH实现高电位水系Zn-I2电池机理示意图。

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图2. 优化电解液体系中锌负极的电化学性能表现。

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图3. 不同电解液的光谱表征。

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图4. 不同电解液体系中锌负极界面表征和DFT计算。

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图5. 优化电解液体系中高电位Zn-I2电池电化学性能表现。

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图6. 优化电解液体系中高电位Zn-I2电池电化学机理表征。

综上所述,作者通过低浓度的三甲胺盐酸盐电解液添加剂,开发设计了一种优化电解液。其可以同时调节正负极电化学性能,实现了高电位高利用率的水系Zn-I2电池。具体来说,在N/P比为2.5的苛刻条件下,高电位水系Zn-I2电池在5000次循环后容量保持率约为70%。作者通过同步辐射,光谱表征,DFT计算等一些列手段对正负极机理进行分析。这种独特的双配位结构将为开发设计高电位水系Zn-I2电池提供新思路。

文信息

Bidentate Coordination Structure Facilitates High-Voltage and High-Utilization Aqueous Zn−I2 Batteries

Mingming Wang, Yahan Meng, Muhammad Sajid, Zehui Xie, Peiyan Tong, Zhentao Ma, Kai Zhang, Dongyang Shen, Ruihao Luo, Li Song, Lihui Wu, Prof. Xusheng Zheng, Prof. Xiangyang Li, Prof. Wei Chen


陈维课题组网页:

http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202404784




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