纪秀磊教授&夏晖教授 ACS Energy Letters：碘-氯卤间化合物的嵌入转化机制助力石墨电极在水系双离子电池中的应用- 大数跨境

首页

纪秀磊教授&夏晖教授 ACS Energy Letters：碘-氯卤间化合物的嵌入转化机制助力石墨电极在水系双离子电池中的应用

科学材料站

2021-01-16

导读：该工作针对石墨电极在双离子电池中阴离子嵌入电位高以及容量低的问题，通过开发新型的水系深共熔溶剂（DES）电解液（120 m ChCl+30 m ZnCl2+5 m KI）（被称为CZI）

文章信息

水系双离子电池中I-Cl卤间化合物在石墨正极中的可逆嵌入

第一作者：郭秋卜，Keun-iI Kim，李爽

通讯作者：夏晖*，纪秀磊*

单位：南京理工大学，俄勒冈州立大学

研究背景

双离子电池（DIBs）体系因其低成本和高工作电压等特性已经引起了越来越多的关注。DIBs通过储存电解液中的阴阳离子来获得能量，在电池充电过程中，阴离子和阳离子分别转移至电池的正极和负极中，放电过程则正好相反。这种可逆的阴阳离子共反应的机理将DIBs与传统的摇椅电池（如锂离子电池）区分开来。

到目前为止，石墨仍然是研究最多的DIBs正极，受主型石墨插层化合物（GIC）可以通过在石墨中氧化插入阴离子而形成。石墨的低成本和天然丰富性也让其在DIBs中具有巨大的应用潜力。

然而，石墨正极固有的挑战在于其高氧化电位，这就要求电解液具有良好的稳定性和宽的电压窗口。然而，传统的水系电解液很容易在与形成受主型GICs所需的电位相似或更低的电位下被氧化，导致在阴离子插入石墨之前发生析氧反应（OER）。

文章简介

近日，俄勒冈州立大学纪秀磊教授与南京理工大学夏晖教授团队合作，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Reversible Insertion of I–Cl Interhalogen in a Graphite Cathode for Aqueous Dual-Ion Batteries”的文章。南京理工大学郭秋卜博士为文章第一作者。

该工作针对石墨电极在双离子电池中阴离子嵌入电位高以及容量低的问题，通过开发新型的水系深共熔溶剂（DES）电解液（120 m ChCl+30 m ZnCl2+5 m KI）（被称为CZI），成功在石墨电极中实现了I-Cl卤间化合物的嵌入转化双重反应机制及其容量和平台电位的双重提高，通过对该反应机理的深入研究，为石墨电极在水系双离子电池领域的应用提供了新思路。

TOC. 石墨电极在经过I-Cl卤间化合物嵌入和转化之后的结构变化、示意图及电化学性能。

图一. 石墨电极在120 m ChCl+30 m ZnCl2和120 m ChCl+30 m ZnCl2+5 m KI（CZI）电解液中的电化学性能图。

图二. 石墨电极在充放电不同电位下的XRD、HRTEM图及元素分析。

图三. 石墨电极在充电不同电位下的XPS。

图四. 石墨电极在CZI电解液中的GITT和循环图。

图五. NFG电极在CZI电解液中的电化学性能。

图六. 不同IClX卤间化合物的DFT计算

本文要点

要点一：碘离子的二次氧化

常规的碘电池一般只会经历I-到I0的单电子转化过程，而在CZI电解液中由于大量氯离子的存在使得I-可以经过两次氧化过程从而转化成I+，并且最终通过元素分析以及理论计算阐明ICl2-是最为稳定的形式。该氧化过程不仅极大提升了碘转化反应的容量而且第二个反应平台出现在更高电位，因此该反应机理的实现极大提升了电池能量密度。

要点二：ICl2-阴离子的形成与其在石墨电极中的嵌入转化机制的发生

虽然I-离子无法嵌入到石墨电极层间，但是ICl2-的出现很好的解决了这一问题。作者通过对新型电解液的开发不仅原位形成了ICl2-阴离子，而且实现了该阴离子在石墨电极中的可逆嵌入脱出反应，而其中所含的Cl-所发生的部分氧化过程也可以进一步提升电池的容量和能量密度。

要点三：NFG电极的引入

作者开发的新型CZI电解液虽然极大提升了石墨电极在DIBs体系中的能量密度，但是其库伦效率仍有待提升。他们通过开发引入氮掺杂的少层石墨烯碳（NFG）这样一种兼具高比表和大量类石墨碳层结构的碳材料，不仅为阴离子的嵌入和转化反应提供了更多的活性位点，极大的提高了电极容量，还进一步提升了电池的库伦效率。

文章链接

Reversible Insertion of I−Cl Interhalogen in a Graphite Cathode for Aqueous Dual-Ion Batteries

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c02575