南大金钟，马晶ESM，离子液体的自发相分离和对卤素萃取效应实现无隔膜自分层的锌-碘和锌-溴电池

第一作者：张凯强，葛洋

通讯作者：马晶*，金钟*

单位：南京大学

自分层液态电极电池是一种用于大规模能源存储的有希望的解决方案，旨在减轻可再生能源间断性对电网的影响。然而，传统的自分层液态电极电池体系在材料成本、电池效率和严格的操作条件方面面临限制，这阻碍了它们的广泛部署。尽管持续进行研究以改善电化学性能，但防止液层间交叉污染和建立连贯的离子导电网络的挑战仍然存在，限制了它们的进一步发展。

水系双相体系为设计自分层电池提供一个新平台。水系双相体系的实现主要基于盐析机制，即向水溶液中添加更亲水的溶质会导致预先溶解的物种被排斥，由于密度差异而形成自堆叠液相结构。此外，通过引入有机组分或溶解度较低的离子液体也可以形成自分层液相结构。该理论可行性已在一些室温离子液体为基的水系双相系统中得到证明。室温离子液体是正极溶剂的有力候选，因为其固有离子导电性、防火性、对氧化还原物质的有效抓附性。然而，当前基于离子液体的水系自分层电池仍面临挑战，包括库低仑效率、短循环寿命以及缺乏对离子液体的深入理解。

近日，南京大学金钟教授和马晶教授在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Self-stratified aqueous biphasic Zn–I and Zn–Br batteries enabled by spontaneous phase separation and halogen extraction effects of ionic liquids”的文章。该论文开发了基于咪唑离子液体的无隔膜自分层锌-碘和锌-溴水系电池。该电池在无需空气隔离的情况下稳定工作，并展现出长期的循环稳定性，高能效，固有的防火性和良好的规模可扩大性，展示了用于大规模能源存储应用的巨大潜力。

作者开发了离子液体为基的水系双液相体系用于无隔膜自分层的锌卤电池。作者通过多重谱学表征手段，论证了其内部成分的可控分布，保证了电池结构的有效构建。

分子动力学模拟确定了离子液体的内部关联，形成了一个以C-H···O相互作用为主的三维氢键网络结构，同时伴随着≤0.03 e的热力学电子转移。此外，阳离子的咪唑环与离子液体阴离子之间独特的π+键效应。

作者通过使用这种基于[EMIm][NTf₂]离子液体的水系双相结构开发了无隔膜自分层的锌卤电池。这些电池展现出高倍率性能，在深度充放电状态下工作电流密度增加十倍后，容量保持率分别为76.9%（锌-碘电池）和93.8%（锌-溴电池）。此外，这些电池的能效为92.8%（锌-碘电池）和82.5%（锌-溴电池），比现有液体电极电池研究的基准（大约80%）要优越。重要的是，自分层水系双相锌-卤电池体系表现出长循环稳定性和固有的防火性，使其成为电网连接能源存储应用的有利候选。

作者为了进一步阐明自分层水系双相电池在大规模工业制造的适用性，在仔细研究了先前关于液体电极电池的报道后，提出了一个简要的比较分析。对于电池配置，液流电池与无隔膜自分层双相电池的主要区别在于采用了离子选择性渗透膜。使用离子交换膜通常会导致液流电池的能效降低和工业制造的复杂性增加。然而，这个问题在无隔膜自分层的锌卤电池中被规避了。此外，液流电池需要使用蠕动泵在储存罐和电池单元之间循环电解液。对于无隔膜自分层的锌卤电池，集流体上的高通量氧化还原物种对于高能效也是至关重要的，这可以通过增加集流体的表面积或制作可流动的电池设计来实现。最后，对于电池成分的维护和再生，由于其电化学和环境耐受性，以离子液体为主的阴极液具有可重复利用的潜力，这将大大节省维护成本，从而有利于大规模工业生产。

Self-stratified aqueous biphasic Zn–I and Zn–Br batteries enabled by spontaneous phase separation and halogen extraction effects of ionic liquids

金钟，南京大学化学化工学院教授、博导、南京大学绿色化学与工程研究院执行院长、天长新材料与能源技术研发中心主任。2003年和2008年分别获得获北京大学化学与分子工程学院学士和博士学位。2008-2014年先后在美国Rice大学和麻省理工学院进行博士后研究。2014年起任教于南京大学，入选了国家级领军人才、优青、青千。主要研究方向是清洁能源转换与存储材料的结构设计、机理研究和器件应用。已发表SCI论文>240篇，他引>18000次，H因子70，连续三年入选Clarivate全球高被引科学家及Elsevier中国高被引学者。获得了国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖、江苏省科学技术奖三等奖、江苏省教育教学与研究成果奖二等奖、江苏省创新争先奖、江苏省双创人才等荣誉。主持国家重点研发计划、科技创新特区、装备预研教育部联合基金、国家自然科学基金、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项、江苏省成果转化专项、江苏省杰出青年基金等项目。担任农工党江苏省中青年委员会副主任、江苏省化学化工学会理事兼青年工作委员会主任、江苏省能源研究会常务理事、江苏省材料学会理事、江苏省汽车工程学会动力电池专委会委员、《Frontiers in Chemistry》副主编、《Nanomaterials》、《新能源科技》编委及多个SCI学术期刊青年编委等学术任职。

马晶，南京大学化学化工学院教授，博士生导师。1998年南京大学化学化工学院获博士学位。1998-2000年作为日本学术振兴会（JSPS）特别研究员在日本歧阜大学进行博士后研究。2000-2005年任南京大学副教授，2005年7月起，任南京大学化学化工学院教授。2008年获得国家自然科学基金委杰出青年基金、霍英东青年教师基金。先后获得第九届中国青年女科学家（2012年），中国化学会青年化学奖（2003年）、入选教育部“新世纪人才计划”（2005年），首届南京青年科技创新奖（2008年）。获得“江苏省新长征突击手”称号，全国和江苏省巾帼建功标兵，江苏省高校优秀共产党员等荣誉称号。担任Journal of Chemical Theory and Computation，Journal of Physical Chemistry Letters和《物理化学学报》期刊编委、 中国化学会女化学工作者委员会委员、中国化学会理论化学委员会委员。