郑州大学郭玮《JACS》：具有高动力学、厚密电极的水系锌−有机碘电池- 大数跨境

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郑州大学郭玮《JACS》：具有高动力学、厚密电极的水系锌−有机碘电池

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2025-10-24

导读：郑州大学郭玮《JACS》：具有高动力学、厚密电极的水系锌−有机碘电池

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文章信息

具有高动力学、厚密电极的水系锌−有机碘电池

第一作者：郭家浩、张卓

通讯作者：郭玮*

单位：郑州大学

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研究背景

随着全球对可持续能源的需求日益增长，开发兼具高安全性、低成本、长寿命和环境友好性的新型储能系统成为重要研究方向。水系锌离子电池凭借锌负极的高理论容量、本质安全性和经济性优势，在电网级储能领域展现出广阔前景。然而，该技术的发展仍面临正极材料方面的关键挑战：有机正极材料虽具有结构可调和环境兼容性好等优点，但普遍存在导电性差、活性物质易溶解和活性位点利用率低等问题；其中，以吩嗪为代表的亚胺类化合物还面临分子结构优化与放电电压维持之间的固有矛盾。与此同时，卤素基正极材料（如碘）虽具备高容量和高工作电压的特性，却深受多碘化物穿梭效应的制约，严重影响电池的库仑效率和循环稳定性。突破正极材料的技术瓶颈，已成为推动水系锌离子电池实用化的关键课题。

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文章简介

近日，郑州大学郭玮教授团队，在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society‌上发表题为“Aqueous Zinc–Organoiodine Battery with High Kinetics and Dense Cathodes”的研究型文章。该文章通过分子间电荷转移相互作用，实现了无机碘的有机化，提升了有机材料的电子电导率，并通过分子间氢键作用降低了氧化还原中间产物的溶解度，最终实现了高动力学、高面载量的水系锌-有机碘电池。该研究成功搭建了分子工程与实用电化学之间的桥梁，为开发高能量、可持续的储能系统提供了重要见解。

图1. 正极材料结构和性质的表征。a) I₂/PNZ/PNZ–I₂分子的静电势分布。(b) PNZ和PNZ–I₂的N 1s XPS光谱分析。(c) PNZ–I₂的单晶晶体结构：展示了N···I相互作用和π–π相互作用。碘原子显示为深紫色，氮原子为蓝紫色，碳原子为灰色，氢原子为白色。(d) PNZ和PNZ–I₂材料的电子电导率。(e) PNZ–I₂复合物的分波态密度。(f) PNZ、I₂、PNZ–I₂及模拟PNZ–I₂（CDCC−2380067）的XRD图谱。(g) PNZ和PNZ–I₂的N K边XANES光谱。

图2. PNZ和PNZ–I₂的动力学评估。(a) Zn//PNZ和Zn//PNZ–I₂电池在1.0 A g–1电流密度下的恒电流充放电曲线。(b) 两种电池的dQ/dV^–1结果。(c) Zn//PNZ–I₂电池在0.2至4.0 mV·s^–1扫描速率下的循环伏安曲线。(d) 由循环伏安结果得到的log（峰值电流, mA）与log（扫描速率, mV·s^–1）在不同扫描速率下的线性关系。(e) 两种电池的电化学阻抗谱结果。(f和g) 两种电池的恒电流间歇滴定技术结果。(h) PNZ和PNZ–I₂慢速与快速动力学示意图。

图3. PNZ–I₂正极的氧化还原机理、中间产物及光谱表征。(a) 中间产物的质谱。(b) PNZ–I₂正极在不同状态下的N 1s XPS光谱。(c, d) PNZ–I₂正极中PNZ在不同状态下的拉曼光谱。(e) PNZ–I₂正极在不同状态下的1H NMR。(f) PNZ–I₂正极中I₂在不同状态下的拉曼光谱。(g) 两种电池中中间产物的1H NMR。(h) PNZ–I₂的氧化还原机理。除中间产物的电化学转化外，还包括电子和质子的插层与脱出。

图4. Zn//PNZ和Zn//PNZ−I₂电池的循环性能。(a) 两种电池在不同电流密度下的比容量。(b) Zn//PNZ−I₂电池在第10、500、1000、1500和2000次循环时的恒电流充放电曲线。(c) Zn//PNZ−I₂电池与Zn//PNZ电池在1.0 A·g⁻¹电流密度下的循环性能。(d) Zn//PNZ−I₂电池在3.0 A·g⁻¹电流密度下的循环性能。(e) 面载量为60.0 mg·cm−2的Zn//PNZ−I₂电池在0.4 A·g⁻¹电流密度下的循环性能。(f−h) PNZ−I₂电极与代表性的p型、n型及双极型有机正极材料之间的电化学性能对比。

图5. Zn//PNZ−I₂软包电池验证。(a) PNZ−I₂正极的SEM图像，展示了平面和截面视图。(b) Zn//PNZ−I₂在0.25 A·g⁻¹下的恒电流充放电曲线。(c) 面积为40 cm²的Zn// PNZ−I₂软包电池的循环性能。(d) 面积为256 cm²的Zn// PNZ−I₂软包电池的循环性能。(e) 面积为80.75 cm²的Ah级Zn// PNZ−I₂软包电池的循环性能。(f) 所呈现的原始正极材料价格与PNZ−I₂的对比。

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本文要点

要点一：双活性中心协同设计

构建PNZ–I₂电荷转移复合物。PNZ作为电子给体，I₂作为电子受体，通过电荷转移相互作用和放电产物2H-PNZ与I⁻形成的N–H…I氢键，协同提升导电性并抑制溶解。

要点二：普适性研究范式

综合运用分子静电势分析、X射线光电子能谱、单晶X射线衍射、电导率测试、态密度计算、X射线吸收近边结构谱、拉曼光谱及核磁共振等多种表征技术，系统阐明了吩嗪（PNZ）与碘（I₂）形成的电荷转移复合物（PNZ–I₂）的结构与性能。本研究为利用电荷转移复合物设计高性能储能电极材料提供了坚实的理论和实验基础。

要点三：清晰的氧化还原机理

研究通过一系列先进的表征手段，清晰地揭示了电池的储能机理：PNZ分子上的羰基/亚胺基团负责可逆地结合与释放质子，而碘物种（I₂/I⁻）则发生可逆的氧化还原反应，两者通过氢键协同作用，实现了稳定的循环寿命。

要点四：面向实用的性能验证

成功制备了高面容量（达4.7 mA·h·cm⁻²）的软包电池，以及Ah级的叠层软包电池（初始容量1.1 Ah，100次循环后容量保持率91%），证明了其实际应用潜力。

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核心结论

总之，本研究通过分子间电荷转移相互作用，实现了无机碘的有机化。PNZ−I₂电荷转移复合物提升了有机材料的电子电导率，并通过分子间氢键降低的中间产物的溶解度，最终实现了高动力学、高面载量的水系锌-有机碘电池。本研究成功搭建了分子工程与实用电化学之间的桥梁，为开发高能量、可持续的储能系统提供了重要见解。

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文章链接

Aqueous Zinc–Organoiodine Battery with High Kinetics and Dense Cathodes

Jiahao Guo, Zhuo Zhang, Fulong Zhu, Qilong Yang, Yongzhu Fu, and Wei Guo

Journal of the American Chemical Society Article ASAP

DOI: 10.1021/jacs.5c13131

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通讯作者简介

郭玮，郑州大学化学学院教授，博导，国家重大人才工程青年学者。近年来，在新型有机电池方向，形成了具有特色和创新性的工作。以第一或通讯作者在 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem、Joule、Nat. Commun.、PNAS、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.等杂志发表论文70余篇。已授权发明专利9项。担任国产期刊《稀有金属（中、英文版）》及 EEM青年编委。主持国家自然科学基金面上项目（2）、青年项目及国家重点研发计划“战略性科技创新合作”重点专项课题。