川大Nature子刊：锌-碘电池的三方协同优化策略

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-12-08 08:18

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锌-碘(Zn-I ₂ )电池因其高安全性，低成本，和高能量密度而深受能源行业的广泛关注。然而，正极电极上I ₃ ^- 副产物的穿梭和锌金属负极上的枝晶问题导致其循环寿命较短。

在此， 四川大学林紫锋、刘颖、赵江琦等人 提出了一种三方协同优化策略，即包括MXene正极主体、正丁醇电解质添加剂和原位固体电解质界面(SEI)保护。MXene具有提高反应动力学和减少I ₃ ^- 副产物的催化能力。

同时，部分溶解的正丁醇添加剂可以与MXene协同抑制I ₃ ^- 的穿梭。此外，电解液中的丁醇和I ^- 可以协同改善Zn ²⁺ 的溶剂化结构进而在锌负极表面原位生成了有机-无机杂化SEI，诱导了稳定的非枝晶锌沉积。

基于此，该电池在5 A g ^-1 的高比电流下具有0.30 mAh cm ^-2 的高容量和0.34 mWh cm ^-2 的优越能量密度，经过30000次循环，每个循环的最小容量衰减为0.0004%。

图2. 电解液的表征与模拟

总之，该工作提出了正极主体、电解质添加剂和原位负极保护三方协同优化策略。其中，TMX作为正极主体，为碘的生成提供了充足的活性位点，提高了反应动力学，并限制了副产物I ₃ ^- 向负极电极的移动。同时，由于悬浮正丁醇对I ₃ ^- 的吸附能力强，进一步与MXene协同作用，限制了I ₃ ^- 的移动。

此外，溶解在电解质中的正丁醇，其富电子基团通过减少溶剂化结构中Zn ²⁺ 与水之间的结合，促进了溶剂化过程。同时，在锌负极表面，正丁醇的吸附引起不同晶面表面能的变化，促进锌向(002)晶面生长。并在锌表面形成保护性固体电解质界面(SEI)，有效抑制锌枝晶形成。

基于此，全电池表现出优异的性能，在30000次循环中实现了0.30 mAh cm ^-2 的容量和0.34 mWh cm ^-2 的能量密度，每次循环的容量衰减率为0.0004%。因此，该工作提供了一种有希望的协同方法，为在高电流密度下工作的高容量和长寿命Zn-I ₂ 电池开辟了新途径。

图2. 全电池的电化学性能

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