国科大杭高院黄少铭教授：双齿配位稳定 I+：实现 −50 °C 下高可逆四电子水系锌碘电池

第一作者：李响

通讯作者：黄少铭*，王明明*，揣明艳*

单位：中国科学院大学杭州高等研究院；吉林大学

水系锌碘电池因其成本低、安全性高和环境友好等优势，被认为是极具潜力的大规模储能体系。然而，传统 Zn–I₂电池主要依赖 I^-/I⁰ 的两电子反应，其理论容量仅为 211 mAh g^-1，严重限制了能量密度的进一步提升。相比之下，I^-/I⁰/I⁺ 四电子反应可将理论容量提升至 422 mAh g^-1，但高价态 I⁺ 在水系电解液中极不稳定，易发生水解和副反应，导致反应不完全和可逆性差。

与此同时，低温环境对水系电池提出了更为严苛的要求。电解液冻结、反应动力学迟缓以及界面失稳等问题，使得多数 Zn–I₂电池难以在深度亚零温度下工作。尽管基于高浓度 Zn(ClO₄)₂ 的抗冻电解液能够显著降低冰点，但如何在极低温条件下同时稳定 I⁺ 中间体并实现高效四电子转化，仍然是该领域面临的核心挑战。

文章提出了一种不同于传统 ICl 单齿配位的稳定机制。甘氨酸盐酸盐在电解液中发生水解后，可同时提供 Cl^- 和含氧配位位点，与I⁺形成 O–I–Cl 双齿螯合结构。该配位模式显著提高了I⁺的热力学稳定性，有效抑制其向多碘阴离子或含氧碘物种转化，为四电子反应提供了稳定的中间态基础。

通过 XPS、拉曼和 FTIR 等表征手段，作者系统揭示了I⁺ 配位环境随电位变化的演化过程：在较低电位下，I⁺首先与 Cl^- 形成 I–Cl 配位；在高电位区间，含氧基团进一步参与配位，形成稳定的 O–I–Cl 双齿结构。DFT 计算表明，该双齿配位的结合能显著高于单齿配位形式，从理论层面验证了其稳定性来源。

基于 3 M Zn(ClO₄)₂ + 1 M GY 电解液，Zn–I₂电池在 −50 °C 下仍可保持完整的四电子反应路径，在 0.05 A g^-1 条件下放电容量接近 400 mAh g^-1，循环 2800 h 后容量保持率约 95%，平均库伦效率高达 99.7% 以上，展现出目前报道中极具竞争力的低温性能。

Stabilizing I⁺ by Bidentate Coordination for Ultra-Low-Temperature Four-electron Aqueous Zn-I₂ Batteries

黄少铭教授：国家杰出青年基金获得者（2010年），浙江省特级专家（2011年），二级教授，博士生导师。1985年本科毕业于杭州大学化学系, 1991年获南开大学高分子化学博士学位。2024年7月入职国科大杭高院化学与材料学院。长期从事低维功能材料和器件应用的基础研究及相关技术研发。 1999年以来已在国际学术刊物上发表480多篇论文。包括Nat. Mater., Nat. Nanotech., Nat. Commun., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., PRL等。论文被SCI引用 2.5万余次, H指数82。入选科睿唯安全球高被引科学家和全球前2%顶尖科学家。申请7件国际专利和90多件中国专利（授权70多件）。获省部级奖3项。

王明明：国科大杭州高等研究院博士后，专注于开发新型水系电池。近年来，以通讯作者或第一作者(共同一作)在Nat. Commun., Angew. Chem., Adv. Mater, Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., eScience等期刊发表学术论文20余篇，并有多篇论文入选ESI高被引论文，目前论文总被引3500余次，H因子32。此外，作为项目负责人，获国家自然科学基金青年项目，博士后创新人才支持计划，博士后科学基金面上项目等多项项资助。