锌碘电池由于其丰富的原材料、较高的放电电压和较高的理论比容量受到关注。然而，开发具有高碘负荷和高锌利用率的锌碘电池，实现在低倍率下的长期循环稳定性仍然存在挑战。近日，北京林业大学马明国教授团队、中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员/李恒副研究员、伦敦大学学院张伟博士，通过多功能MXene调制剂实现高负载碘正极，实现了稳定的高能量密度锌碘全电池。得益于少层MXene纳米片的高导电性和强碘化学吸附特性，锌碘全电池展现出优异的高面容量，高Zn负极放电深度和高能量密度。通过使用少量的MXene调制剂，有效地调节了高负载碘正极的反应动力学，实现了稳定的高能量密度Zn-I2全电池。通过综合实验与理论分析，揭示了MXene调制剂有效抑制多碘化物穿梭，提升碘转化动力学，并显著改善锌负极可逆性的内在调制机理。在MXene调制剂的辅助下，高碘负载复合正极与薄型锌负极配对时，实现了4.0 mAh cm−2的高面容量，78.7%的高Zn负极放电深度和171.3 Wh kg−1的高能量密度。该研究利用MXene调制剂来调节关键的电化学反应过程，设计了用于Zn-I2电池的高负载碘正极。这项工作为开发稳定的高能量密度锌碘全电池提供了新的思路。
相关成果以“A MXene Modulator Enabled High-Loading Iodine Composite Cathode for Stable and High-Energy-Density Zn-I2 Battery”为题发表在国际期刊Advanced Energy Materials。论文的第一作者为北京林业大学材料科学与技术学院博士研究生李丹丹，通讯作者为北京林业大学马明国教授、中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员/李恒副研究员、伦敦大学学院张伟博士。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市青年科技英才扬帆计划资助以及北京市科技新星计划交叉合作课题的资助。
研究结论
（1）网状细菌纳米纤维素用作粘合剂，MXene纳米片和活性炭微颗粒自组装成三维独立式复合电极膜。
（2）MXene调制器旨在增强导电性，提高碘物种的化学锚定能力，并加速碘转化反应动力学。
（3）MX-AB@I复合正极呈现高达23 mg cm-2的高碘负载，获得4.0 mAh cm-2的高面积容量。
（4）具有1.27的低N/P比的Zn-I2全电池在200次循环之后，容量保持率为94.4%，表现出78.7%的Zn放电深度和171.3 Wh kg-1的能量密度。
图1. MX-AB@I复合正极的制备与表征
图2. 碘物质在MXene调节剂上的吸附机制研究
图3. 高负载MX-AB@I与AB@I正极的碘转化动力学分析
图4. 高碘负载MX-AB@I正极的电化学评估
论文信息：
Dandan Li, Ying-Jie Zhu,* Long Cheng, Sida Xie, Han-Ping Yu, Wei Zhang,* Zhenming Xu, Ming-Guo Ma,* Heng Li*. A MXene Modulator Enabled High-Loading Iodine Composite Cathode for Stable and High-Energy-Density Zn-I2 Battery. Adv. Energy Mater. 2024, 2404426.
原文链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202404426
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