安徽大学鹿可/中南潘安强/哈工大学张红Chem. Sci.：释放锌-碘电池的高能潜力：以碘化锌为阴极设计的高负载厚电极

第一作者：马靖康

通讯作者：鹿可，潘安强，张红

作者单位：安徽大学

水性锌碘 (Zn-I₂) 电池因其能量/功率密度高、安全性高、成本低和广泛可用性等显着属性而成为大规模储能设备的有希望的候选者。然而，活性成分的利用率有限以及重复放电/充电过程中碘的显着体积膨胀仍是与碘阴极相关的一些关键的固有问题。尽管在设计成分和复合碘阴极的结构为提高碘利用率提供了可能的解决方案，但正极材料在比容量和活性材料含量之间存在权衡，从而损害了 Zn-I₂ 电池的可用比能。

近日，安徽大学在国际知名期刊Chemical Science上发表题为“Unleashing the High Energy Potential of Zinc-Iodide Batteries: High-Loaded Thick Electrodes Designed with Zinc Iodide as the Cathode”的研究性文章。该研究引入了一种优化的完全锌化的碘化锌，其负载在的分层碳支架上可实现82 wt%的高活性成分负载和含量，并以此制备用于实现高能Zn-I₂电池的厚阴极。多孔基质内氮杂原子和钴纳米晶体之间的协同相互作用不仅提供了强大的化学吸附来锁定聚碘化物中间体，而且还激发了电催化效应来操纵有效的碘转化。ZnI₂阴极可以有效缓解连续体积膨胀并最大限度地提高活性物质的利用率。

作者首先通过在N₂气氛下直接热解ZIF-8制备多孔N掺杂碳 (NC)。随后，将 NC 粉末分散在 Co(NO₃)₂ 溶液中，以获得在纳米孔中填充 Co(II) 的前驱体。并将该前驱体在氮气/氢气流中进行第二次热活化后，最终将得到的产物命名为 NC-Co。NC-Co保持规则的菱形十二面体形态并均匀负载的Co纳米颗粒。HAADF-STEM图像和相应的EDX元素图表明了ZnI₂负载后NC-Co复合材料中C、N、Co、I元素的均匀分布，进一步证实了ZnI₂负载在NC-Co的孔隙中。

作者介绍NC-Co具有丰富的极性氮和钴位点，可以通过分子间偶极-偶极相互作用增强与同极性分子ZnI₂的分子间相互作用力，从而实现ZnI₂的化学吸附。因此，碘化锌的负载量高达 82%。通过可视化小瓶实验中比较了三种电极的电解质的颜色，表明NC-Co/ZnI₂和AC/ZnI₂之间的差异归因于 NC-Co对聚碘化物的化学亲和力，可以更好地限制可溶性聚碘化物的释放。此外，循环过程中碘的不断体积膨胀以及在电解液中的严重溶解导致NC-Co/I₂正极对聚碘化物的无效锁定。紫外-可见光谱结果进一步量化了上述推测。Co催化中心的强催化作用促进了快速的碘氧化还原转化，同时加强了对多碘化物穿梭的抑制。

作者进行电化学测量以评估正极成分对Zn-I₂电池电化学性能的影响。为了获得实际相关的结果，所有比容量和电流密度都根据电池中复合正极的质量进行归一化处理，NC-Co/ZnI₂ 能实现高达130 mAh g^-1的容量。此外，NC-Co/ZnI₂电极的厚度在循环后几乎保持不变，而NC-Co/I₂电极的厚度膨胀率约为52.4%。这种差异表明，ZnI2阴极在脱锌过程中的初始收缩可以最大限度地减少连续体积膨胀并保持电极的高稳定性。NC-Co/ZnI₂ 正极在1C下超长循环超过10000次循环后，容量保持率高达85.4%，这优于 NC-Co/I₂ 电极72.1%的有限容量保持率。

作者为了提高Zn-I₂电池实际应用的能量效率，还研究了不同厚度的NC-Co/ZnI2电极的电化学性能。在ZnI₂ 负载量分别为 6.8 mg cm^-2、12.8 mg cm^-2 和 20.5mg cm^-2，对应于 100、200和 300 μm的电极厚度。在如此高的面积负载下，NC-Co/ZnI₂的容量仍然表现出120、115和108 mAh gcathode^-1的初始容量。经过2000次循环后，NC-Co/ZnI₂在面积质量负载为6.8 mg cm^-2时表现出107 mAh gcathode^-1的可逆容量，在面积质量负载为12.8 mg cm^-2时表现出102 mAh gcathode^-1的可逆容量。20.5 mg cm^-2表现出92 mAh gcathode^-1的可逆容量，这表明NC-Co/I₂的厚度增加ZnI₂电极不影响电池性能。此外，含有 NC-Co/ZnI₂ 的电池表现出最小的体积变化，这表明ZnI₂有助于减轻循环过程中体积膨胀的事实。最后，作者组装具有 NC-Co/ZnI₂ 阴极的软包电池，以展示其在 Zn-I₂ 系统中的实际应用。并提供了本研究中生产的Zn-I₂电池（硬币型和袋型）与之前报道的研究的全面比较。

Jingkang Ma (马靖康), Alireza Azizi, Erhuan Zhang (张二欢), Hong Zhang* (张红), Anqiang Pan* (潘安强), and Ke Lu* (鹿可), Unleashing the High Energy Potential of Zinc-Iodide Batteries: High-Loaded Thick Electrodes Designed with Zinc Iodide as the Cathode, Chemical Science, 2024, 10.1039/D4SC00276H.

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