JACS：动态Janus界面设计助力极端条件下可逆、快充锌碘电池- 大数跨境

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JACS：动态Janus界面设计助力极端条件下可逆、快充锌碘电池

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2024-08-11

导读：本文报告了一种动态Janus界面设计策略，有效改善了锌沉积/剥离效率和四电子碘转化的可逆性。

文章信息

动态Janus界面设计助力极端条件下可逆、快充锌碘电池

第一作者：宗伟、李坚涛、张成翼、戴宇航

通讯作者：赖飞立、Khalil Amine、刘天西、何冠杰

单位：比利时鲁汶大学、美国阿贡实验室、江南大学、伦敦大学学院

研究背景

锌（Zn）碘（I₂）水系电池有望成为传统金属离子电池的替代品。然而，不理想的锌沉积/剥离效率和不可逆的多电子碘转化反应阻碍了其进一步发展。为了克服上述问题，此前大量研究集中在“盐包水”（即高浓度电解液）或引入有机溶剂添加剂的方法上。然而，这些方法不可避免地导致了高成本和高安全隐患。除此之外，高浓度电解液会严重制约碘转化动力学，这在低温条件下尤为明显。因此，开发兼具多电子碘转化高可逆性和快速反应动力学的锌碘电池具有重要意义。

文章简介

基于此，来自鲁汶大学赖飞立博士&美国阿贡实验室Khalil Amine研究员&江南大学刘天西教授&伦敦大学学院何冠杰副教授报告了一种动态Janus界面设计策略，有效改善了锌沉积/剥离效率和四电子碘转化的可逆性。通过引入疏水性季铵阳离子，其作为离子筛可动态调节电极-电解质界面环境，形成独特的缺水（H₂O）和富氯离子（Cl^-）动态Janus界面。该界面可有效抑制副反应（析氢反应）、防止ICl分解并富集反应物，从而提高锌沉积/剥离效率和四电子碘转化反应的可逆性。

因此，该方法制备的Zn||Cu非对称电池表现出超过1000圈的稳定锌沉积/剥离行为，平均库仑效率为99.95%。此外，Zn||I₂全电池在室温下实现了可逆和稳定的碘转化反应，包括高倍率性能（电流密度为40 A g^-1时，容量为217.1 mA h g^-1）和良好的循环稳定性。同时，Zn||I₂全电池可在宽温度范围内（-65至+25℃）稳定运行。本研究为极端条件下可逆、快充锌碘电池的电解质-电极界面设计提供了新的方案及思路。

动态Janus界面设计及机理示意图

文章链接

Dynamical Janus Interface Design for Reversible and Fast-Charging Zinc-Iodine Battery under Extreme Operating Conditions

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c03615

通讯作者简介

赖飞立：材料科学与工程学院长聘教轨副教授，博士生导师。博士毕业于德国马普胶体与界面研究所/波茨坦大学，长期从事高分子微纳复合材料、4D软体机器人、微纳加工工艺、电化学能量存储/转化技术、密度泛函理论计算等领域的研究。以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等期刊发表论文50余篇；论文总引用6200余次，H指数为47；15篇论文入选ESI高被引论文，4篇论文入选ESI热点论文。参与出版中文专著（章节）1部；授权中国发明专利20余项、PCT国际专利1项。主持包括国家优秀青年科学基金（海外）、上海市领军人才（海外）、国家自然科学青年基金等多项国家及省部级项目。

Khalil Amine：研究员，阿贡国家实验室研究员，ABAA(先进的动力汽车用锂离子电池国际例会，2009年创立)的创始人和主席，《Nano Energy》期刊副主编。他曾获得《科学美国人》2003年全球顶尖50位研究者奖、2009年美国联邦实验室技术转让卓越奖，并六次获得R&D 100奖。他已提交了超过198项专利申请，发表论文超过608篇。

刘天西：江南大学“至善特聘教授”，博士生导师。英国皇家化学会会士、国家杰出青年基金获得者、上海市领军人才、上海市优秀学术带头人、上海市曙光学者、上海市青年科技启明星、教育部新世纪优秀人才、德国洪堡学者。现任Composites Communications共同主编、Advanced Fiber Materials副主编、Functional Composite Materials副主编、教育部科技委交叉科学与未来技术专委会委员、中国复合材料学会·纳米复合材料分会主任、超细纤维复合材料分会副主任、导热复合材料分会副主任。主要研究方向：高分子纳米复合材料、气凝胶功能复合材料、纳米纤维及其复合材料、纳米能源复合材料及器件。在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.等期刊发表SCI论文500余篇，他引2.9万余次，H因子91；2016~2018连续三年入选英国皇家化学会（RSC）材料科学“Top 1% 高被引学者”；2018年入选科睿唯安“全球高被引科学家”（材料科学）；2018~2023连续六年入选爱思唯尔“中国高被引学者”（材料科学、化学工程与技术）；2020年、2022年获上海市自然科学二等奖（排名第一）；获授权发明专利50余项；出版中、英文专著3部。

何冠杰：UCL化学系副教授，博士生导师。主要研究领域为水系电化学能源存储与转换材料及器件。以通讯/第一作者在Joule, Nature Communications, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., ACS Energy Lett.等国际权威学术期刊发表SCI论文130余篇，被引10000余次，h指数58。主持超过300万镑的科研项目，包括欧洲研究理事会科研启动基金(ERC Starting Grants)等。担任Battery Energy期刊副主编、Green Energy Environ.、Sci. China Mater.、Nano Res. Energy、Energy Environ. Mater.、Adv. Powder Mater.、J. Met., Mater. Miner.期刊（青年）编委。2023年入选英国材料、矿物和采矿学会会士。

第一作者简介

宗伟：牛津大学博士后，主要研究方向为高分子纳米复合材料及纳米能源复合材料和器件。以第一作者身份/通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.等高水平期刊发表SCI论文10篇。