科學(xué)島團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑高電位高利用率水系Zn-I2電池

近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所計(jì)算物理與量子材料研究部利用一種含有胺基和Cl離子的電解液添加劑三甲胺鹽酸鹽(TAH)，構(gòu)筑了高利用率高電位的水系Zn-I2電池，為該電池的開發(fā)提供了一種新方案。相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊Angewandte Chemie International Edition上。

水系鋅碘電池是一種有前景的儲(chǔ)能裝置，但是傳統(tǒng)基于I2/I-的兩電子水系Zn-I2電池電壓僅為1.3 V，導(dǎo)致其能量密度較低，難以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求。近年來，由于碘豐富的氧化還原反應(yīng)，激活高價(jià)碘反應(yīng)能實(shí)現(xiàn)高電位水系Zn-I2電池的工作被陸續(xù)研究報(bào)道。該類工作主要通過電解液設(shè)計(jì)，錨定I+，促進(jìn)I-/I2/I+的四電子反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水系Zn-I2電池的高電位高理論比容量。但是，這種設(shè)計(jì)往往需要較高的游離鹵素離子濃度，才能在水系電解液中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的I+。由于點(diǎn)蝕作用，大量游離的鹵素離子會(huì)對(duì)鋅負(fù)極表面產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害，腐蝕電池其余組件，影響全電池循環(huán)穩(wěn)定性。因此，開發(fā)新型錨定I+的方案具有必要性。

鑒于此，李向陽副研究員與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳維教授和鄭旭升研究員合作研究了一種同時(shí)含有胺基和Cl離子的電解液添加劑三甲胺鹽酸鹽(TAH)，構(gòu)筑了高利用率高電位的水系Zn-I2電池。一方面，三甲胺(TA)分子可以吸附在Zn負(fù)極周圍，降低Zn離子的脫溶劑化能壘，部分質(zhì)子化的TA分子表現(xiàn)出屏蔽作用，從而協(xié)同實(shí)現(xiàn)水系Zn負(fù)極的高面積容量(57 mAh cm-2)。另一方面，在正極側(cè)，表征與理論計(jì)算表明I+同時(shí)與胺基和Cl離子形成雙齒配位結(jié)構(gòu)，在低濃度下實(shí)現(xiàn)I-/I2/I+四電子轉(zhuǎn)移高價(jià)反應(yīng)。高電位水系Zn-I2電池在2 A g-1(以正極碘質(zhì)量計(jì)算)時(shí)表現(xiàn)出近450 mAh g-1的比容量。此外，Zn-I2全電池(N/P比為2.5)可實(shí)現(xiàn)5000次穩(wěn)定循環(huán)，容量保持率約為70%。

該工作為高電位高利用率的水系Zn-I2電池的進(jìn)一步開發(fā)提供了新方案。

圖. 利用多功能電解液添加劑三甲胺鹽酸鹽（TAH）構(gòu)筑高電位水系Zn-I2電池機(jī)理示意圖。